El biogás se ha convertido en una de las fuentes de energía renovable de más rápido crecimiento; se produce a partir de residuos agrícolas, restos de comida, lodos de depuradora y material de vertedero mediante digestión anaeróbica. Sin embargo, el gas que sale de un digestor o de un pozo de vertedero dista mucho de estar listo para su uso. El biogás sin tratar contiene sulfuro de hidrógeno, siloxanos, compuestos orgánicos volátiles y humedad que corroen los motores, ensucian las tuberías y bloquean el acceso a los mercados de biometano de alta calidad. Para los operadores de las plantas, elegir el medio de filtración adecuado no es un detalle técnico menor; determina directamente la vida útil de los equipos, el coste de mantenimiento y si el gas puede venderse, inyectarse en la red o utilizarse como combustible para vehículos.
Sí, el carbón activado es un buen filtro para el biogás y constituye una de las tecnologías de purificación más utilizadas en el sector. El carbón activado de alta calidad para biogás elimina el sulfuro de hidrógeno con una eficiencia superior al 98 por ciento, adsorbe siloxanos y COV hasta niveles de partes por millón, y protege los motores, las turbinas y los sistemas de mejora frente a la corrosión y los depósitos. Su principal limitación es de carácter económico, más que de rendimiento: en el caso de corrientes de gas con cargas muy elevadas de H₂S, el carbón activado funciona mejor como etapa de pulido tras la eliminación a gran escala, y no como único paso de tratamiento.
En los apartados siguientes se explica qué contiene realmente el biogás en bruto, cómo captura el carbón activado cada contaminante, qué tipos de carbón son los más adecuados para cada aplicación, cuáles son las limitaciones de esta tecnología y cómo seleccionar, dimensionar y poner en funcionamiento un sistema que ofrezca el menor coste por metro cúbico de gas limpio.
¿Qué contiene el biogás sin tratar y por qué es necesario filtrarlo?
El biogás bruto es una mezcla compuesta, aproximadamente, por un 50 a un 70 por ciento de metano y un 30 a un 50 por ciento de dióxido de carbono, junto con trazas de contaminantes que, aunque están presentes en pequeñas concentraciones, causan un daño desproporcionado. El sulfuro de hidrógeno, los siloxanos y los COV son las tres impurezas que, con mayor frecuencia, determinan si un proyecto de biogás es rentable, ya que atacan precisamente a los equipos que transforman el gas en ingresos.
El metano es el componente valioso, pero son los contaminantes en trazas los que determinan las especificaciones de calidad del gas. La tabla siguiente resume las principales impurezas que se encuentran en el biogás sin tratar procedente de digestores, plantas de tratamiento de aguas residuales y vertederos, tal y como se describe en las directrices de la Programa de Divulgación sobre el Metano de los Vertederos de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA).
| Contaminante | Rango típico | Fuente principal | Riesgos si no se trata |
| Sulfuro de hidrógeno (H₂S) | De 100 a más de 5.000 ppm | Materia prima rica en azufre, degradación de proteínas | Corrosión de motores y tuberías, exposición a sustancias tóxicas, emisiones de SO₂ |
| Siloxanos | De 1 a 50 mg/m³ | Productos de higiene personal y de limpieza en los flujos de residuos | Depósitos de sílice en pistones, válvulas y álabes de turbina |
| COV | Detecta trazas hasta cientos de ppm | Vertederos y flujos de residuos alimentarios | Acumulación de residuos en el motor, emisiones y daños en las membranas de purificación |
| Humedad | Saturado (100% RH) | Proceso de digestión | Corrosión al combinarse con H₂S; reducción de la capacidad de adsorción |
| Amoníaco | Traza hasta 100 ppm | Materia prima rica en proteínas | Corrosión, formación de NOx durante la combustión |
Las consecuencias de omitir la filtración están bien documentadas. El sulfuro de hidrógeno se convierte en ácido sulfúrico durante la combustión, lo que corroe las camisas de los cilindros y los intercambiadores de calor. Los siloxanos se oxidan y se transforman en sílice microcristalina, un depósito abrasivo similar al vidrio que acorta drásticamente los intervalos de revisión del motor. Incluso cuando el biogás solo se quema en una caldera, el H₂S no controlado aumenta los intervalos de mantenimiento y el tiempo de inactividad. Cuando el objetivo es la inyección a la red o la producción de biometano comprimido, las especificaciones de las tuberías exigen una eliminación exhaustiva de los contaminantes traza, razón por la cual prácticamente todas las plantas modernas de biogás incluyen una etapa de adsorción.
¿Cómo filtra el biogás el carbón activado?
El carbón activado filtra el biogás mediante adsorción: las moléculas contaminantes quedan capturadas en la enorme superficie interna del carbón a medida que el gas atraviesa un lecho compacto. Con una superficie interna de entre 500 y 1.500 metros cuadrados por gramo, el carbón activado ofrece más sitios de captura por kilogramo que casi cualquier otro medio comercial, y los tipos impregnados químicamente añaden un segundo mecanismo de eliminación reactivo para el sulfuro de hidrógeno.
En el interior de un lecho de carbón para biogás intervienen dos mecanismos distintos:
- Adsorción física. El carbón activado sin tratar, o «virgen», atrae las moléculas contaminantes mediante fuerzas intermoleculares débiles. Las moléculas de gas se difunden en la red de poros y quedan retenidas en la superficie del carbón. Este mecanismo resulta muy eficaz para los siloxanos y los COV, ya que no requiere ninguna reacción química.
- Adsorción química y oxidación catalítica. El carbón activado impregnado se trata con compuestos alcalinos o catalíticos, como el hidróxido de potasio, el hidróxido de sodio o el yoduro de potasio. Estos productos químicos reaccionan con el sulfuro de hidrógeno y lo convierten en compuestos estables y no volátiles, azufre elemental o sulfuros metálicos que permanecen fijados en el interior del carbón. Los estudios publicados sobre reactores han medido eficiencias de eliminación de H₂S en torno al 97,8 % para el carbón activado, lo que supera a la zeolita y a la zeolita tratada con sulfato de hierro, probadas en condiciones idénticas.
La estructura de los poros es tan importante como la superficie específica. Los microporos, de menos de 2 nanómetros, retienen moléculas pequeñas, como los siloxanos ligeros y el H₂S, mientras que los mesoporos, de entre 2 y 50 nanómetros, capturan siloxanos cíclicos más grandes, como el D4 y el D5. Un tipo de carbón con gran superficie específica pero con una distribución de poros inadecuada ofrecerá un rendimiento inferior en servicio, por lo que la selección del medio filtrante siempre debe basarse en un análisis completo de los gases y no en las especificaciones generales.
¿Qué contaminantes puede eliminar el carbón activado para biogás?
El carbón activo para biogás elimina eficazmente el sulfuro de hidrógeno, los siloxanos, los COV, los mercaptanos y los compuestos olorosos, reduciendo cada uno de ellos a los bajos niveles de ppm o incluso por debajo de ppm exigidos por los motores y las especificaciones del biometano. Sin embargo, no lleva a cabo la eliminación masiva de CO₂ necesaria para transformar el biogás bruto en combustible para vehículos o en gas para gasoductos; para ello se requiere una tecnología de tratamiento específica, como membranas, lavado con agua o adsorción por oscilación de presión.
Eliminación del sulfuro de hidrógeno
El sulfuro de hidrógeno es el objetivo principal de la mayoría de los sistemas de filtración de biogás. Los tipos de carbón impregnado y catalítico lo eliminan mediante conversión química, un proceso mucho más duradero que la simple adsorción física. El carbón virgen alcanza rápidamente su capacidad máxima de retención de H₂S, pero los tipos impregnados con KOH o KI siguen convirtiendo el H₂S mucho tiempo después, lo que proporciona una capacidad de eliminación que puede ser entre 40 y 50 veces superior a la del carbón sin tratar. Los lechos bien diseñados alcanzan habitualmente concentraciones de salida inferiores a 4 ppm, y las etapas de pulido pueden llegar a valores inferiores a 1 ppm para aplicaciones sensibles, como las pilas de combustible y las redes de gas.
Eliminación de siloxanos
Los siloxanos se introducen en el biogás principalmente a partir de vertederos y aguas residuales, donde se descomponen los productos de higiene personal desechados. Cuando se quema el gas cargado de siloxanos, los compuestos se oxidan y forman depósitos de sílice dura en los pistones, las culatas y los álabes de las turbinas, lo que provoca abrasión y sobrecalentamiento. El carbón activado de gran superficie específica, especialmente los tipos a base de cáscara de coco con estructuras microporosas densas, elimina los siloxanos mediante adsorción física y puede mantener su capacidad operativa durante meses antes de tener que ser sustituido. Las capacidades de trabajo típicas oscilan entre el 1 y el 1,5 por ciento en masa en condiciones reales de gas.
Eliminación de COV y olores
Los compuestos orgánicos volátiles (COV), entre los que se incluyen los terpenos, los compuestos aromáticos y los ácidos orgánicos, contribuyen a la acumulación de residuos en el motor y a las emisiones, por lo que deben limitarse en el gas de calidad para tuberías. El carbón activado adsorbe estos compuestos de forma eficaz, y el mismo lecho de purificación que captura los siloxanos suele tratar también los COV. En aplicaciones de combustión, algunos COV aportan de hecho poder calorífico, pero la situación cambia por completo cuando el gas se transforma en biometano, donde los estrictos límites de COV protegen las membranas de transformación y los catalizadores posteriores.
Lo que el carbón activo no puede hacer
No se debe contar con que el carbón activado seleccionado para la eliminación de contaminantes en trazas sirva para separar el metano del dióxido de carbono. La separación de CH₄/CO₂ necesaria para la producción de biometano se lleva a cabo mediante sistemas de enriquecimiento específicos. Los lechos de carbón se sitúan antes o después de estos sistemas como etapas de protección y refinado, una división de tareas que se ha convertido en la arquitectura estándar de las plantas modernas, tal y como se describe en Análisis de la AIE sobre los mercados del biogás y el biometano.
Tipos de carbón activado utilizados en los sistemas de biogás
Las dos decisiones más importantes en un sistema de carbón para biogás son la composición química de la impregnación y la forma física del medio filtrante. El carbón virgen de gran superficie específica se encarga de los siloxanos y los COV, el carbón impregnado se encarga del H₂S, y las formas peletizadas suelen superar al carbón granular en cuanto a caída de presión y polvo en el servicio de gas a escala real. No existe un único tipo de carbón que se adapte bien a todas las aplicaciones, por lo que la mayoría de las plantas utilizan lechos escalonados o en capas.
| Tipo de carbono | Fecundante | El mejor objetivo | Funciones habituales |
| Carbón activo virgen | Ninguno | Siloxanos, COV | Pulido de segunda etapa tras la eliminación del H₂S |
| Impregnado con KOH/NaOH | Sales alcalinas de 5 a 18% | H₂S entre 100 y 3.000 ppm | Eliminación de H₂S en grandes volúmenes y con carga media |
| Impregnado con KI | 1 a 51 TP4T de yoduro de potasio | Altos niveles de H₂S, salida por debajo de una ppm | Pulido final, corrientes de alta concentración |
| Carbón activo catalítico | Superficie catalítica | H₂S a azufre elemental | Alta capacidad de trabajo, mayor vida útil de la bancada |
Una estrategia de carga habitual y eficaz consiste en utilizar dos capas en un mismo recipiente o dos recipientes en serie. El gas entra primero en contacto con el carbón impregnado, que transforma el H₂S antes de que este pueda agotar la capacidad de adsorción de la segunda capa. A continuación, el gas pasa a través de carbón virgen con un índice de yodo elevado, normalmente de 900 a 1.100 mg/g, que captura los siloxanos y los COV. Este enfoque por capas ofrece la mejor vida útil global, ya que cada medio realiza la función para la que ha sido diseñado.
La forma física también es importante. En la mayoría de las instalaciones de biogás se prefieren los gránulos extruidos de entre 2 y 4 milímetros, ya que ofrecen una distribución uniforme del gas, una baja caída de presión, una alta resistencia a la compresión y un bajo nivel de polvo durante el cambio. El carbón granular puede funcionar en sistemas más pequeños, pero tiende a generar una mayor caída de presión en lechos altos. Las especificaciones clave que hay que comparar son el índice de yodo para la capacidad de absorción de COV y siloxanos, una dureza superior al 95 % y un contenido de humedad inferior al 5 %.
Por qué el carbón activado es un buen filtro para el biogás: ventajas clave
El carbón activado se ha ganado un lugar en las plantas de biogás porque combina una alta eficacia de eliminación con la sencillez operativa, protegiendo los costosos equipos posteriores con un coste total predecible que pocas alternativas pueden igualar en lo que respecta a la eliminación de contaminantes en trazas.
Entre las ventajas prácticas que hacen que el carbón activo para biogás siga teniendo una gran demanda se encuentran:
- Eficacia de eliminación. El carbón, si se selecciona adecuadamente, reduce los niveles de H₂S, siloxanos y COV hasta los niveles especificados, y la eliminación de H₂S suele superar el 98 por ciento.
- Protección de los equipos. La eliminación de compuestos corrosivos y que forman depósitos alarga los intervalos de revisión del motor y protege las membranas y las unidades PSA en las instalaciones de mejora de la calidad del agua.
- Funcionamiento sencillo. Un lecho de carbón es un recipiente pasivo sin piezas móviles, sin productos químicos que dosificar y sin circuitos de control complejos, lo que facilita su instalación y mantenimiento.
- Escalabilidad modular. El mismo medio se utiliza tanto en pequeños digestores agrícolas como en grandes plantas de tratamiento de gases de vertedero, simplemente variando el tamaño del recipiente y la masa del lecho.
- Una economía previsible. Dado que el carbono se consume de forma gradual y se repone según un calendario determinado por el seguimiento de los avances, los costes operativos son estables y fáciles de presupuestar.
Aplicaciones típicas
La filtración de biogás mediante carbón activo es una práctica habitual en todo el sector del gas renovable, incluyendo los digestores de residuos agrícolas y alimentarios que producen biogás comprimido, las instalaciones municipales de tratamiento de aguas residuales que recuperan gas de depuradora, los sistemas de recuperación de gas de vertedero, así como las destilerías y las plantas de valorización energética de residuos. En todos los casos, la etapa de carbón se sitúa entre la fuente de gas bruto y el punto de uso, protegiendo los motores de gas, las calderas y las turbinas, y mejorando el rendimiento de los equipos.
Limitaciones que debes conocer antes de elegir el carbón activado
El carbón activado es un excelente medio de pulido y de eliminación de contaminantes traza, pero no siempre es la opción más económica para la eliminación a gran escala de H₂S en gases con alta concentración de contaminantes, y su rendimiento depende en gran medida de las condiciones de funcionamiento. Las plantas que ignoran estos límites acaban sustituyendo el carbón con demasiada frecuencia y pagando por ello.
Las principales limitaciones que hay que tener en cuenta a la hora de planificar son:
- Coste con altas cargas de H₂S. Cuando la concentración de H₂S en la entrada alcanza miles de ppm, eliminarla por completo con carbón resulta caro. La configuración más económica consiste en aplicar primero una etapa de eliminación a gran escala, como la desulfuración biológica o los medios a base de hierro, seguida de un pulido con carbón hasta alcanzar los parámetros finales.
- Sensibilidad a la humedad. El carbón ofrece un rendimiento óptimo con una humedad relativa de entre el 40 % y el 60 %. El gas saturado reduce la capacidad de adsorción entre un 10 % y un 30 % y puede provocar la formación de canales en el lecho; por ello, la práctica habitual consiste en enfriar previamente el gas para eliminar el condensado y, a continuación, recalentarlo entre 10 y 12 grados por encima de su punto de rocío.
- Necesidad de oxígeno. La eliminación catalítica del H₂S sobre carbón requiere una pequeña cantidad de oxígeno en el gas, idealmente superior al 0,5 % en volumen. Sin él, la capacidad de absorción disminuye drásticamente.
- Consideraciones de seguridad. Los carbones impregnados con álcalis pueden suponer un riesgo de incendio en el lecho debido a reacciones exotérmicas, especialmente en presencia de altas concentraciones de H₂S y CO₂, por lo que es necesario prestar especial atención a la distribución del gas y al control de la temperatura.
- Manipulación de medios usados. El carbón impregnado con compuestos de azufre puede requerir una eliminación como residuo peligroso, lo que supone un incremento del 20 al 40 % en el coste total del medio a lo largo de su vida útil. El carbón virgen utilizado para los siloxanos suele ser más fácil y económico de gestionar, y parte del carbón usado puede reactivarse térmicamente en lugar de depositarse en un vertedero.
Carbón activado frente a otras tecnologías de desulfuración del biogás
El carbón activado, los medios de óxido de hierro, la desulfuración biológica y el lavado con líquido desempeñan, cada uno de ellos, un papel distinto en el tratamiento del biogás, y los diseños con el menor coste total suelen combinarlos: una tecnología de eliminación a gran escala seguida de un pulido con carbón activado para cumplir con las estrictas especificaciones de salida.
| Tecnología | Profundidad de extirpación | Coste relativo | Mejor aplicación |
| Carbón activado impregnado | Por debajo de 1 ppm | Aumento del coste de los medios de comunicación | Pulido, cargas medias, contaminantes mixtos |
| Medios de óxido de hierro / esponja de hierro | De 20 a 50 ppm | Bajo | Eliminación a gran escala de H₂S, gas húmedo, plantas sencillas |
| Desulfuración biológica | Por debajo de 50 ppm | Bajo coste de funcionamiento | Plantas de gran tamaño, altas cargas de H₂S |
| Limpieza con solución líquida (NaOH) | Por debajo de 50 ppm | Medio | Altas concentraciones de H₂S, dosificación precisa |
| Separación por membrana | Varía | Gran capital | Eliminación conjunta de CO₂ y H₂S en el proceso de mejora |
Los medios a base de hierro son económicos y resultan muy adecuados para gases húmedos y de alta carga, pero ofrecen una eliminación más burda y pueden sufrir la formación de puentes en el medio. Los sistemas biológicos ofrecen un coste operativo muy bajo a gran escala, pero requieren un control minucioso del oxígeno y condiciones estables. El lavado con líquido gestiona altas concentraciones de forma continua, pero exige un control de la dosificación y una logística de suministro de productos químicos. El carbón activado destaca cuando se requiere un tratamiento en profundidad: recipientes compactos, capacidad de salida por debajo de una ppm y eliminación simultánea de siloxanos y COV que las demás tecnologías no pueden ofrecer.
Por eso los diseños híbridos se han convertido en el estándar del sector. Una etapa de tratamiento a granel reduce los niveles de H₂S de miles de ppm a unos pocos cientos, y una etapa de pulido con carbón completa el proceso hasta situar los niveles por debajo de 1 ppm, al tiempo que retiene los siloxanos y los COV. Esta combinación cumple con las especificaciones más estrictas al menor coste por kilogramo de azufre eliminado y minimiza el volumen de medios agotados.
Cómo seleccionar y poner en funcionamiento un sistema de biogás con carbón activo
Un sistema eficaz de eliminación de carbono mediante biogás comienza con un análisis del gas, adapta el tipo de carbón y el tamaño del lecho a la carga real de contaminantes y se basa en la monitorización de la penetración, en lugar de en el calendario, para decidir cuándo cambiar el medio filtrante. Las plantas que siguen este proceso de forma sistemática registran una mayor vida útil del lecho y menores costes de tratamiento.
Factores de selección del carbono
La selección del medio filtrante debe basarse en las concentraciones medidas de contaminantes, el caudal, la humedad y las especificaciones de la salida. Para aplicaciones con H₂S, compare los grados en función de la capacidad de retención de azufre y la uniformidad de la impregnación, en lugar del precio por tonelada, ya que un carbón impregnado barato con una carga deficiente puede perder el 30 % de su capacidad operativa. Para aplicaciones con siloxanos y COV, hay que dar prioridad al índice de yodo y a la distribución de poros. El tamaño de las partículas es una cuestión de equilibrio: los gránulos de entre 2 y 4 milímetros suelen ofrecer el mejor equilibrio entre eficiencia de contacto y caída de presión.
Diseño de sistemas
El dimensionamiento del lecho se deriva del tiempo de contacto del lecho vacío. El volumen de lecho necesario es igual al caudal de gas multiplicado por el tiempo de contacto, y la masa de carbón se calcula a partir del volumen del lecho y la densidad de empaquetamiento. Los lechos de tamaño insuficiente se agotan prematuramente; los de tamaño excesivo inmovilizan capital y pueden absorber humedad mientras permanecen sin utilizarse. La mayoría de los diseñadores añaden un margen de seguridad del 20 % y configuran los recipientes en modo «lead-lag», de modo que el primer recipiente realiza la mayor parte del trabajo y el segundo actúa como respaldo. El funcionamiento en modo «lead-lag» también permite el cambio del medio filtrante sin interrumpir el flujo de gas.
Condiciones de funcionamiento
Mantenga el gas dentro de los límites que indican los medios de comunicación: humedad relativa controlada entre el 40 y el 60 por ciento, un contenido reducido y controlado de oxígeno para los grados catalíticos y una temperatura estable. La instalación de analizadores de H₂S aguas abajo de cada etapa permite al operador detectar a tiempo la aparición de fugas y programar los cambios con antelación.
Supervisión y sustitución
Sustituye los medios filtrantes basándote en la curva de penetración, no en conjeturas. La mejor práctica consiste en planificar la sustitución en torno al punto de penetración del 80 %, mientras el recipiente principal aún disponga de margen. En condiciones típicas, con una concentración de H₂S en la entrada de entre 500 y 2.000 ppm, los lechos de carbón impregnado duran aproximadamente entre 3 y 6 meses, mientras que los lechos vírgenes de eliminación de siloxanos suelen funcionar entre 6 y 12 meses, y los de alto rendimiento pueden alcanzar los dos años en condiciones favorables. La vida útil real siempre depende de la carga de entrada, el caudal, la humedad y la temperatura, por lo que la monitorización es más importante que cualquier regla empírica.
Preguntas frecuentes
¿El carbón activado elimina el CO₂ del biogás?
No. El carbón activado que se utiliza en el sector del biogás se selecciona para eliminar contaminantes en trazas, como el H₂S, los siloxanos y los COV. La eliminación del 30 al 50 por ciento de CO₂ necesario para producir biometano requiere tecnologías de mejora específicas, como la separación por membranas, el lavado con agua o la adsorción por oscilación de presión. Los lechos de carbón se utilizan para proteger esos sistemas de mejora y para refinar el producto final.
¿Influye la humedad en el rendimiento del carbón activado en la producción de biogás?
Sí, de forma significativa. La capacidad de adsorción alcanza su máximo entre el 40 % y el 60 % de humedad relativa y desciende notablemente en gas saturado, con pérdidas que suelen situarse entre el 10 % y el 30 %. Dado que el biogás sin tratar suele estar completamente saturado, la práctica habitual consiste en enfriar el gas para condensar la humedad y, a continuación, recalentarlo entre 10 y 12 grados por encima de su punto de rocío antes de que entre en el lecho de carbón.
¿Cómo se dimensiona un lecho de carbón activado para una planta de biogás?
Empiece por calcular la carga diaria de contaminantes —la concentración multiplicada por el caudal— y divídala entre la capacidad operativa del carbón para estimar el consumo del medio filtrante entre cada cambio. A continuación, determine el volumen del lecho para conseguir un tiempo de contacto adecuado en el lecho vacío en función del caudal de gas, añada un margen de diseño de alrededor del 20 por ciento y configure los recipientes en modo «lead-lag» para un funcionamiento continuo. Un proveedor puede afinar el cálculo utilizando el análisis de su gas y las especificaciones de salida requeridas.