Valorización de residuos agroindustriales lignocelulósicos para la obtención de carbón activado y su aplicación en la adsorción de contaminantes

Filiberta V. Pérez-Castillo* iD, Maria V. Hernandez-Ruiz** iD

Facultad de Ciencias Básicas, Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Tlaxcala, Ángel Solana S/N, San Luis Apizaquito, Apizaco, Tlaxcala, CP 90300, México. *filibertavirginia.perez.c@uatx.mx; **mvhernandez@uatx.mx

http://doi.org/10.5281/zenodo.20504608

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Editado por: Jesús Muñoz-Rojas (Instituto de Ciencias, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla).

Recibido: 21 de mayo 2025. Aceptado: 15 de febrero 2026. Fecha de publicación: 31 de marzo de 2026

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Referencia: Roldán Magdaleno AL, López Ramírez M del C, Br

RESUMEN

La generación a gran escala de residuos agroindustriales lignocelulósicos representa no solo un desafío ambiental significativo, sino también una oportunidad para su valorización dentro de la bioeconomía circular, orientada a la obtención de materiales de alto valor añadido, como el carbón activado (CA). Este enfoque permite desarrollar carbones activados aplicables en la remoción de contaminantes presentes en agua y aire, así como en la recuperación de sustancias de interés.

Se analizó la literatura sobre el uso de residuos agroindustriales lignocelulósicos para la obtención de CA, los principales métodos de activación —física, química, fisicoquímica, por microondas, biológica e hidrotérmica— destacando sus fundamentos, condiciones de operación y productos obtenidos. La activación física y química, que emplean agentes activantes como: H3PO4, KOH, NaOH, ZnCl2 o CO2 continúan siendo de las más utilizadas. Los rendimientos reportados de CA varían entre 25 y 45%, dependiendo del tipo de biomasa y agente activante empleado. Las áreas superficiales específicas alcanzan entre 500 y 1800 m²·g⁻¹, la capacidad de adsorción supera los 300 mg·g⁻¹ para colorantes y los 150 mg·g⁻¹ para metales pesados como Zn²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺ y Cr⁶⁺ entre otros.

Los resultados de la revisión confirman el creciente interés en la valorización de una amplia variedad de residuos agroindustriales mediante su conversión en (CA), lo cual representa una estrategia viable en la transición hacia sistemas productivos sostenibles. Esta alternativa promueve el uso en cascada de la biomasa dentro de una bioeconomía circular y fomenta la simbiosis industrial entre distintos sectores productivos. Finalmente, se resalta la necesidad de profundizar en líneas de investigación orientadas al escalamiento de procesos, la caracterización avanzada de materiales y la evaluación de su desempeño bajo condiciones reales de tratamiento de contaminantes.

Palabras clave: Carbón activado; precursor lignocelulósico; residuos agroindustriales; sostenibilidad.

ABSTRACT

The large-scale generation of lignocellulosic agro-industrial waste represents not only a significant environmental challenge but also an opportunity for its valorization within the circular bioeconomy, aimed at obtaining high value-added materials such as activated carbon (AC). This approach enables the development of activated carbons applicable in the removal of contaminants from water and air, as well as in the recovery of substances of interest.

A review of the literature on the use of lignocellulosic agro-industrial residues for obtaining AC and on the main activation methods —physical, chemical, physicochemical, microwave, biological, and hydrothermal—was analyzed, highlighting their fundamentals, operating conditions, and obtained products. Physical and chemical activation, utilizing H3PO4, KOH, NaOH, ZnCl2 or CO2 as activating agents, remain among the most widely used methods. Reported AC yields range between 25 and 45%, depending on the type of biomass and activating agent employed. Specific surface areas reach between 500 and 1800 m²·g⁻¹, the adsorption capacity exceeds 300 mg·g⁻¹ for dyes and 150 mg·g⁻¹ for heavy metals, metal such as Zn²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺ and Cr⁶⁺, among others.

The results of the review confirm the growing interest in the valorization of a wide variety of agro-industrial waste through its conversion into (AC), which represents a viable strategy in the transition towards sustainable production systems. This alternative promotes the cascading use of biomass within a circular bioeconomy and fosters industrial symbiosis between different productive sectors. Finally, the necessity to deepen research lines oriented towards process scaling, advanced material characterization, and the evaluation of its performance under real contaminant treatment conditions is highlighted.

Palabras clave: Activated carbon; lignocellulosic precursor; agro-industrial wastes; sustainability.

INTRODUCCIÓN

La agroindustria transforma productos agrícolas, ganaderos, pesqueros y forestales [1], generando una gran cantidad de residuos a lo largo de toda la cadena productiva [2-4]. Se estima que cerca de un tercio de los alimentos producidos en el mundo (1.3 mil millones de toneladas) terminan como desechos [5]. Industrias como: la cervecera, aceitera, láctea, café y cacao utilizan entre el 8 y 10% de sus insumos, mientras que la industria papelera y de frutas usan entre el 30 y 50% generando enormes volúmenes de residuos que representan un reto ambiental urgente [6-12].

Los residuos agroindustriales son productos orgánicos sólidos, semisólidos o líquidos que, aunque no se aprovechan en el proceso que los genera, pueden transformarse mediante tecnologías físicas, químicas, biológicas o térmicas para originar productos de valor económico, comercial y/o social [6, 8, 10, 11, 13-16].

La valorización de residuos agroindustriales no solo contribuye a reducir el volumen de desechos y la contaminación asociada, sino que también ofrece beneficios económicos y sociales. El uso de la biotecnología permite disminuir insumos contaminantes y favorecer la generación de materiales verdes, biodegradables y reciclables de alto valor añadido, como el carbón activado, además de biocombustibles, alimentos y suplementos nutricionales para animales, bioplásticos (empaques y embalajes), compuestos químicos (adsorbentes, esteres, bioplaguicidas, antibióticos y pigmentos), enzimas (celulasas, hemicelulosas, xilanasas y pectinasas) y composta para el acondicionamiento de suelos [6, 8, 17-19].

Desde una perspectiva social, estas estrategias fortalecen el desarrollo local y la generación de empleo en comunidades rurales, en el marco de un modelo de economía circular que integra sostenibilidad, innovación y aprovechamiento eficiente de recursos biológicos renovables [20]. Este enfoque de bioeconomía circular promueve el uso en cascada de la biomasa priorizando la obtención de productos de alto valor añadido antes de su recuperación energética, y convierte los residuos agroindustriales lignocelulósicos en recursos estratégicos capaces de sustituir materiales fósiles, reducir impactos ambientales y dinamizar las economías del entorno. En consecuencia, el aprovechamiento de estos residuos se plantea como una estrategia de manejo, siendo un factor clave del plan de desarrollo sostenible que atiende la demanda energética, el cambio climático, la escasez de recursos naturales y el manejo de los residuos [21-27].

Los residuos agroindustriales son ricos en contenido de carbono y, por tanto, son materiales adecuados para la producción de CA. Los grupos funcionales que presenta el CA en su estructura, hidroxilo, carboxilo, amino, tiol, fenilo y carbonilo le proveen capacidad de adsorción potencial para metales pesados [28-31], adsorción de diferentes colorantes, eliminación de contaminantes emergentes, captación de gases contaminantes, purificación de agua potable [32], entre otras. Este potencial se debe al contenido de material lignocelulósico (60–80%) y lignina (20–35%), que son perjudiciales para el medio ambiente si no se gestionan adecuadamente.

Entre las alternativas tecnológicas más destacadas para la valorización de residuos se encuentra la producción de CA mediante procesos sostenibles de activación física, química, fisicoquímica, biológica, hidrotermal o por microondas. Sin embargo, la producción sostenible de CA enfrenta diversos desafíos tecnológicos, económicos y ambientales, como el alto consumo energético de los métodos tradicionales, el uso de agentes activantes no renovables y la limitada escalabilidad industrial. En este contexto, emergen oportunidades de innovación orientadas a la sostenibilidad, como la activación verde, el uso de fuentes renovables de energía y la integración con modelos de simbiosis industrial, donde los subproductos de una industria sirven como materia prima para otra, cerrando los ciclos materiales y energéticos [33].

El presente trabajo desarrolla una investigación cualitativa de la literatura, orientada a comprender, describir y analizar la producción de CA a partir de residuos agroindustriales lignocelulósicos. En el estudio se utilizan los métodos teóricos inductivo-deductivo y de análisis-síntesis, para examinar los aspectos clave del proceso: precursores lignocelulósicos, métodos de activación (física, química, fisicoquímica, microondas, biológica e hidrotérmica), condiciones operativas, propiedades del producto final y aplicación en la adsorción de contaminantes. Asimismo, se abordan las oportunidades y desafíos actuales en el desarrollo de estos procesos, desde una perspectiva de sostenibilidad y economía circular. La información analizada se recopiló progresivamente de publicaciones científicas relevantes, lo que permitió estructurar la revisión y profundizar en los aspectos antes mencionados, como se detalla en el apartado de Metodología.

Antecedentes

El CA es un adsorbente carbonoso, microcristalino y no grafítico, caracterizado por una alta superficie específica (entre 500 y 3000 m²/g) [34, 35], gran porosidad y la presencia de grupos funcionales en su superficie [29]. Estas propiedades le confieren una elevada capacidad de adsorción de contaminantes presentes en corrientes gaseosas y líquidas [36].

El alto costo del CA comercial ha restringido su uso a gran escala en aplicaciones industriales [32, 37]. Por ello, ha surgido un creciente interés en la valorización de residuos agroindustriales como materia prima alternativa [38]. Estos materiales, también conocidos como biomasa lignocelulósica, cumplen con los requisitos esenciales para la síntesis de CA: bajo costo o insignificante, disponibilidad, y un alto contenido de carbono.

Los precursores son sometidos a procesos de activación para aumentar su porosidad y multiplicar el área superficial potenciando su capacidad como adsorbente [34, 38]. En el proceso de activación se promueve la desaparición del carbono volátil de los espacios situados entre las formaciones cristalográficas, haciendo que se formen una gran cantidad de pequeños espacios entre las partículas que se denominan poros, lo que produce que estos materiales posean una gran superficie interna en comparación con la superficie externa o geométrica. La estructura porosa de los CA se debe a los poros de diferentes tamaños, según la IUPAC, son clasificados en macroporos (diámetro de poro > 50 nm, mesoporos (diámetro de poro entre 2 y 50 nm y microporos (diámetro de poro < 2nm [34]. Los macroporos sirven como poros alimentadores y de transporte de las sustancias adsorbidas hacia los micro y mesoporos, los mesoporos contribuyen en los procesos de adsorción líquido – sólido y los microporos proporcionan la superficie específica del CA y a la adsorción eficiente de moléculas.

Por lo general, los CA se producen a partir de recursos finitos como carbones minerales, turba y materiales residuales de petróleo. No obstante, no son materias primas baratas, ni están disponibles en todas las partes del planeta. La alta demanda y las necesidades han llevado al descubrimiento de recursos más baratos, ecológicos, sostenibles, de origen renovable y/o que su aprovechamiento implique un beneficio ambiental adicional para la producción de CA. Así, en las últimas décadas surgió un interés en el biocarbonizado, producido a partir del tratamiento térmico de biomasa, que luego puede ser convertido en CA [39-41].

Los residuos ricos en contenido de carbono se utilizan como precursores para la obtención de CA. Al ser modificados mediante procesos físicos, químicos, fisicoquímicos, biológicos o térmicos, estos residuos mejoran sus propiedades como adsorbentes. Asimismo, el CA producido puede regenerarse o reactivarse mediante métodos térmicos, químicos (ácido clorhídrico, ácido nítrico, hidróxido de sodio, cloruro de calcio, carbonato de sodio, EDTA) y microbiológicos. Estos procesos buscan prolongar la vida útil del material. Sin embargo, la capacidad adsorbente puede disminuir tras varios ciclos de regeneración.

El CA además de la estructura interna contiene otros elementos como el hidrógeno, oxigeno, azufre y material inorgánico. Estos elementos pueden provenir del precursor o ser introducidos en el proceso de activación, y/o en el tratamiento o modificación después de la activación [39, 42]. Los factores que influyen en la producción de CA son la materia prima, la temperatura, la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia, el tamaño de las partículas, el efecto de los catalizadores, la presión y el pH inicial [39]. La utilidad de los CA depende de la superficie expuesta o BET (Teoría Brunauer, Emmet y Teller) que presenten después del tratamiento de activación.

La porosidad de los carbones activados es principalmente de microporosidad la cual es esencialmente espacio molecular, es decir, espacio con las dimensiones de átomos y moléculas dentro de la red de átomos de carbono. La estructura microporosa es esencialmente una red tridimensional de átomos de carbono, algunos en arreglos hexagonales y otros como átomos de carbono individuales unidos entre sí de manera extremadamente estrecha pero no empaquetados. Esta disposición de enlace da como resultado, un espacio que existe entre los átomos para crear un “pasaje” tridimensional interconectado (dimensiones de alrededor 0.5 nm), en el que cada unidad espacial tiene una conexión con todas las demás dentro del carbón [43]. La macroporosidad, > 50 nm, se considera una superficie abierta y solo ayuda con el transporte del adsorbente al interior de las partículas de carbono. La estructura microporosa interna bien desarrollada provee al CA una gran capacidad adsorbente [4]. Esta capacidad puede variar con las propiedades inherentes del adsorbente como son área específica y la química de la superficie (Figura 1) [42-45]. La presencia o ausencia de los grupos superficiales, así como el mayor o menor grado de deslocalización de los electrones π afecta a las interacciones del carbón con otros elementos o compuestos.

El rendimiento final en la producción también es otro aspecto a considerar a la hora de la elección del precursor los cuales deben contar con una serie de requisitos mínimos: a) no debe pasar por una etapa fluida o pseudo fluida durante su procesamiento térmico, ya que podría dar lugar a una estructura final ordenada, contraria a la estructura del CA, b) los precursores termoplásticos no son recomendables, ya que se funden al elevar la temperatura, perdiendo su forma inicial y su tamaño de partícula, c) los materiales de partida deben presentar un elevado contenido en carbono fijo, ya que este elemento es, en definitiva, el esqueleto del CA, d) el contenido inorgánico ha de ser reducido, ya que la presencia de fracción mineral afecta, entre otras cosas, a la capacidad de adsorción, e) la materia prima ha de contar, con buena disponibilidad, accesibilidad y bajo precio, para garantizar un precio estable y competitivo del producto final [40].

Precursores lignocelulósicos utilizados para la obtención de CA

Debido a su alto contenido de carbono, bajo contenido de cenizas y su disponibilidad regional, se han explorado múltiples fuentes de materia prima, entre ellas, los residuos lignocelulósicos provenientes de actividades agroindustriales. La tabla 1 resume algunos de los más comunes reportados en la literatura.