کربن اکتیو
2021-05-08 2022-06-27 5:15کربن اکتیو
کربن اکتیو
کربن اکتیو یا زغال فعال (activated carbon) نوعی کربن فراوری‌شده است که منافذ کوچک و کم حجمی دارد و به همین دلیل در فرایندهای جذب و یا واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد. زغال فعال (کربن اکتیو) که نقش مؤثری در حذف آلاینده‌ها دارد، یکی از مواد پرکاربرد در صنعت تصفیه آب است که به دو صورت پودری و دانه‌ای مورد استفاده قرار میگیرد.
کربن فعال یک ماده جاذب و با تخلخل بالاست که فرم پیچیده‌ای دارد و از اتم‌های کربن ساخته شده است. این ماده به دلیل مساحت داخلی مؤثر، قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح و قیمت پایین در مقایسه با جاذب‌های غیرآلی، بسیار منحصربه‌فرد است. موارد استفاده این ماده در تصفیه هوا، تصفیه آکواریوم و استخر، جداسازی رنگ و بو و مزه و کلر آب در کارخانه‌ها صنایع غذایی و شیمیایی و همچنین برای پاک‌سازی پوست و دندان است.
کربن اکتیو چه ویژگی‌هایی دارد؟
ویژگی اصلی کربن اکتیو یا ذغال فعال را می‌توان پراکندگی اندازه تخلخل‌ها و توانایی آن برای از بین بردن مواد آلوده‌کننده آب دانست. از دیگر ویژگی‌های آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- پایداری زیاد
- هزینه مناسب و مقرون به صرفه
- هدایت الکتریکی زیاد
- قابلیت بازیافت و فعال‌سازی مجدد
- ظرفیت جذب بالا
- ساختار متخلخل و سطح فعال بالا
انواع کربن فعال
کربن‌ها بر اساس نوع ماده خام اولیه، رفتار شیمیایی و فیزیکی، روش تولید و ویژگی‌هایی که دارند به انواع مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند. زغال فعال (کربن اکتیو) پودری، میله‌ای، گرانولی و قرصی جزو این تقسیم‌بندی به شمار می‌آیند که البته سه مورد اول، شکل‌های متداول کربن اکتیو‌ها هستند.
کربن اکتیو پودری (Powder Activated Carbon)
سایز این کربن کمتر از 1 میلی‌متر و قطر آن به طور متوسط بین 15/0 – 25/0 میلی‌متر است. ویژگی مهم زغال فعال پودری مقدار بالای سطح فعال در واحد حجم است، اما اندازه ریز ذرات آن، افت فشار بالایی را به وجود می‌آورد. از جمله مزایای کربن فعال پودری می‌توان به هزینه کم تولید و انعطاف‌پذیری در کاربرد اشاره کرد.
کربن فعال پودری دارای قدرت جذب مواد آلی موجود در آب است و کارایی آن بسته به غلظت کربن اکتیو یا ذغال فعال، نحوه اختلاط، محل تزریق، زمان تماس و کیفیت آلاینده‌ها متفاوت است. این کربن‌ها به‌صورت عموم جهت جذب فاز مایع مورد استفاده قرار میگیرد و دوز آن‌ها با تغییر شرایط فرایند، به‌راحتی کاهش یا افزایش پیدا می‌کند.
کربن اکتیو گرانول (Granular Activated Carbon)
سایز ذرات این کربن برخلاف کربن پودری بزرگ‌تر و از سطح خارجی کوچک‌تری نیز برخوردار است. همچنین نسبت به کربن پودری از مقاومت بیشتری برخوردار هستند و اندازه‌ای در حدود 2/0 میلی‌متر تا 5 میلی‌متر دارند. این نوع کربن به دلیل سرعت نفوذ بالا، در جذب گازها و بخارها بسیار خوب عمل می‌کنند و جهت تصفیه آب، بوزدایی و جداسازی مواد موجود در جریان‌ها و همچنین در حوضچه‌های اختلاط سریع به کار می‌روند.
حمل کربن اکتیو یا ذغال فعال ساده و بدون دردسر است و قابلیت تصفیه حجم زیادی از گازها و مواد مایع را با کیفیتی ثابت دارند. کربن اکتیو گرانول این قابلیت را دارد که همواره بازیابی شود و به طور مجدد مورد استفاده قرار گیرد. فاصله زمانی میان فعال‌سازی به طور متوسط نزدیک هجده ماه است و البته حدود 5 تا 15 درصد از ماده در طول فعال‌سازی مجدد از بین می‌رود.
کربن فعال میله‌ای یا کبریتی (Extruded Activated Carbon)
این کربن به شکل استوانه‌ای است و قطری بین 8/0 تا 130 میلی‌متر دارد. کربن میله ای استوانه‌ای‌شکل به دلیل ویژگی‌هایی همچون قدرت مکانیکی بالا، افت فشار کم و میزان غبار کم، به طور عمده برای جذب در فاز گازی استفاده می‌شوند. این کربن فعال در بازیابی حلال، تصفیه گاز و کنترل گازهای خروجی از ماشین‌ها استفاده می‌شود. علاوه بر این، فعالیت در حجم زیاد و مقاومت بالای آن موجب شده تا در وسایل نقلیه قابل‌استفاده باشند.
کاربرد کربن اکتیو در مصارف و صنایع مختلف
کربن اکتیو یا ذغال فعال در صنایع مختلفی کاربرد دارد که در ادامه به‌صورت جداگانه به شرح هر یک از آن‌ها می‌پردازیم:
کاربرد زغال فعال در تصفیه گاز
- حذف آلاینده‌ها از سیستم تهویه خودروها
- حذف عوامل تولیدکننده بوی نامطبوع از هود آشپزخانه‌ها و فیلتر یخچال‌ها
- تصفیه گاز اگزوز برای حذف ناخالصی‌ها و آلاینده‌های آلی
- در ماسک‌های N95 کربن دار که موجب می‌شود آلودگی و دود گازهای مضر هوا به درون ماسک نفوذ نکند.
- کنترل پخش در محیط‌های مختلف مثل پمپ‌بنزین‌ها
- صنایع بسته‌بندی و پوشش‌های سطحی
- تصفیه گاز دودکش‌ها در کارخانه‌ها زباله‌سوزی برای حذف فلزات سنگین و دیوکسین‌ها
کاربرد کربن فعال در رنگبری
- رنگ‌زدایی و خالص‌سازی محصولات پایانی و واسطه‌ها در صنعت داروسازی
- رنگبری از ادویه‌ها
- حذف رنگ از محلول‌های دارای شکر
- رنگ‌زدایی و تصفیه محلول‌هایی که کاربرد آن‌ها در تولید گلوکز و دیگر محصولات نشاسته‌ای است.
- تصفیه روغن‌های گیاهی و حیوانی
- رنگ‌زدایی از گلیسیرین، پارافین، وازلین، وکس، مواد شیمیایی با خلوص بسیار بالا، اسیدهای آلی و آنزیم‌ها
- حذف رنگ و بو از ژلاتین
- تمیز کردن حمام‌های گالوانیزاسیون
کاربرد کربن اکتیو در مصارف بهداشتی
امروزه در بازار جهانی ماسک‌هایی با نام ماسک سیاه عرضه می‌شوند که مواد اصلی تشکیل‌دهنده آن‌ها این ماده است. محصولات لایه‌برداری که حاوی ذغال فعال هستند، سطح پوست را از ذراتی همچون گرد و خاک، دود، مواد آرایشی و بهداشتی و… تمیز کرده و منافذ پوستی را به‌مرورزمان کوچک‌تر می‌کند. کربن فعال همچنین در متعادل کردن چربی پوست نیز نقش مؤثری دارد و با استفاده مداوم، خشکی پوست را نیز برطرف می‌کند.
کاربرد کربن اکتیو در پزشکی
کربن فعال (ذغال فعال) برای درمان مسمومیت‌ها و اوردوز ناشی از مواد شیمیایی به کار می‌رود و در بسیاری از کشورها نیز به عنوان یک داروی بدون نسخه جهت درمان بیماری‌های اسهال، سوءهاضمه و نفخ استفاده می‌شود. درصورتی‌که علم پزشکی بر این عقیده است که کربن اکتیو یا ذغال فعال از جذب شدن مواد شیمیایی درون بدن انسان جلوگیری نمی‌کند و اگر مسمومیت ناشی از مواد خورنده مانند اسید بوریک، آهن، فراورده‌های نفتی یا الکل باشد، هیچ‌گونه اثری ندارد. علاوه بر اینکه استفاده نادرست از این ماده منجر به آسپیراسیون ریوی می‌شود که در صورت عدم درمان فوری، می‌تواند کشنده باشد.
کاربرد کربن اکتیو در صنایع غذایی
کربن اکتیو یا ذغال فعال در رنگ‌زدایی از آب‌میوه‌ها و عصاره میوه‌ها مورداستفاده قرار میگیرد. کربن اکتیو همچنین می‌تواند ترکیبات آلی محلول را حذف و بو و مزه قندهایی مانند لاکتوز، فروکتوز و… را کنترل کند.
کاربرد کربن اکتیو در کشاورزی
کربن اکتیو یا ذغال فعال در بخش کشاورزی به‌خصوص در پرورش دام استفاده می‌شود. همچنین از دیگر کاربردهای آن می‌توان به‌عنوان کشنده آفات، کمک به فراوری، مواد افزودنی خوراک دام و ضدعفونی‌کننده نیز اشاره کرد.
کاربرد کربن اکتیو در تصفیه آب
یکی از کاربردهای اصلی کربن اکتیو، حذف طعم، بو و کلر باقی‌مانده در آب است. این ماده دارای ویژگی‌های جذبی و الکتروشیمیایی مفیدی است که به عنوان یک جاذب قوی برای مواد محلول در گازها و مایعات عمل می‌کند. در سال‌های اخیر از کربن اکتیو یا ذغال فعال برای تصفیه آب آشامیدنی، آب‌های زیرزمینی و… استفاده می‌شود.
برای تصفیه آب و پساب، با توجه به نوع آن از دو کربن اکتیو پودری و گرانول استفاده می‌شود. کربن اکتیو یا ذغال فعال همچنین در تصفیه پساب بیولوژیکی جهت حذف باکتری و مواد خطرناک نیز قابل‌استفاده است و برای بهبود کیفیت تصفیه و حذف موادی که نسبت به مواد مورداستفاده در تصفیه و روش‌های آن مقاوم هستند نیز به کار می‌رود.
کاربرد کربن اکتیو در تصفیه هوا
یکی از مهم‌ترین کاربردهای کربن اکتیو یا ذغال فعال را می‌توان تصفیه هوا دانست که در نقش یک فیلتر در دستگاه‌های تصفیه هوا قرار میگیرد و موجب کاهش آلاینده‌های گازی می‌شود. هراندازه که میزان کربن اکتیو موجود بیشتر باشد، عملکرد این دستگاه‌ها نیز بهتر می‌شود و فواصل زمانی تعویض فیلتر طولانی‌تر می‌شود.
کربن اکتیو چگونه تولید می‌شود؟
ساختار، عملکرد و ویژگی‌های هر کربن فعالی به شدت به نوع ماده اولیه انتخابی و نوع روش تهیه کربن فعال بستگی دارد. پروسه تهیه کربن فعال از مواد کربنی را اکتیواسیون می‌نامند و به‌صورت تهیه یک‌شکل کریستالی ریز از کربن فعال است که مقدار زیادی تخلخل در شکل و اندازه‌های مختلف دارد. زیرا روش ساده پخت و کربونیزه کردن مواد، جوابگوی احتیاجات جامعه صنعتی امروز نیست.
در پروسه تولید کربن اکتیو یا ذغال فعال از مواد خام مختلفِ حاوی کربن استفاده می‌شود. موادی مانند: ذغال سنگ، قیر، کک نفتی، قطران ذغال سنگ، ضایعات گیاهی و ضایعات کشاورزی مانند پوست میوه، هسته میوه، چوب و… کربن اکتیو زمانی به وجود می‌آید که ذغال در دمای بسیار زیادی تحت‌فشار قرار میگیرد و موجب تغییر ساختار داخلی کربن می‌شود. به این صورت که اندازه منافذ آن کاهش می‌یابد و سطح آن افزایش پیدا می‌کند. به خاطر داشته باشید که کربن اکتیو منافذ بیشتری نسبت به ذغال معمولی دارد.
چهار فرایند تولید کربن اکتیو
تولید کربن اکتیو یا ذغال فعال شامل چهار فرایند کلی می‌شود که در ادامه به هر یک از آن‌ها جداگانه خواهیم پرداخت.
فرایند پیرولیز
تبدیل ترموشیمیایی بیوماس آلی به سوخت‌های گازی یا مایع شکل در دمای بسیار بالا و بدون حضور هالوژن و اکسیژن را فرایند پیرولیز می‌گویند. فرایندی بازگشت‌ناپذیر که ترکیب شیمیایی و فاز فیزیکی مواد را به‌صورت هم‌زمان تغییر می‌دهد. در این فرایند مواد در معرض دمای بسیار بالا قرار می‌گیرند و تولید کربن اکتیو یا ذغال فعال، به شدت تحت تأثیر عواملی همچون دما، شدت حرارت‌دهی و شدت جریان گاز نیتروژن هستند.
فرایند فعال‌سازی فیزیکی
این فرایند یک فرایند دومرحله‌ای شامل کربونیزاسیون و فعال‌سازی است. در ابتدا کربونیزاسیون ماده اولیه انجام می‌شود و سپس فعال‌سازی ذغال نهایی در دمای بالا و در حضور گازهای اکسیدکننده مانند دی‌اکسیدکربن، هوا، بخار آب و یا مخلوطی از هر سه صورت میگیرد. مواد اولیه این روش را ضایعات کشاورزی، ضایعات برنج و چوب تشکیل می‌دهند.
فرایند فعال‌سازی شیمیایی
این فرایند نیز شامل دو مرحله فعال‌سازی و کربونیزاسیون است که انجام دادن این دو مرحله به طور هم‌زمان و در دمای پایین، کربن فعالی با ساختار متخلخل بهتری را تولید می‌کند. عامل فعال‌سازی در این روش، مواد شیمیایی روی کلرید، پتاسیم هیدروکسید، فسفریک اسید و پتاسیم کربنات به شمار می‌آیند. همچنین در این فرایند از مواد اولیه ضایعات کشاورزی مانند هسته زیتون، پوست گردو، پوست بادام‌زمینی، هسته زردآلو و ضایعات برنج استفاده می‌شود.
پیرولیز با بخار آب
در این فرایند برای تولید کربن اکتیو یا ذغال فعال، مواد اولیه ضایعات کشاورزی تحت جریان بخار آب و در محدوده دمایی 800-500 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بینند. در این فرایند برای تولید کربن اکتیو از بیوماس ضایعات کشاورزی استفاده شده است.
مؤلفه‌های اندازه‌گیری کیفیت جذب کربن فعال
عدد یدی
عدد یدی نشانگر مقدار تخلخل کربن اکتیو یا ذغال فعال است و از آن برای محاسبه مقدار غیر اشباعیت در هیدروکربن‌ها و اسیدهای چرب استفاده می‌شود. هراندازه مقدار این عدد بالاتر باشد، سطح فعالیت ماده نیز بیشتر است. عدد یدی به‌صورت mg/g نشان داده می‌شود و محدوده‌ای بین 1200-500 دارد.
مساحت سطح
این مساحت که با واحد m2/g بیان می‌شود، میزان سطح موجود برای جذب به‌ازای میزان مشخصی از جرم کربن را محاسبه می‌کند.
چگالی ظاهری
هراندازه چگالی ظاهری بیشتر باشد، به این معنی است که کربن اکتیو یا ذغال فعال از کیفیت بالاتری برخوردار است. مقدار چگالی ظاهری کربن فعال یا ذغال اکتیو بین 2000 تا 2100 کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد و با واحدهای g/cc یا Ibs/cf نشان داده می‌شود.
اندازه مش
اندازه مش، دامنه اندازه ذره محصول را نشان می‌دهد که اغلب به شکل یک دامنه از اندازه حفره غربال بیان می‌شود. این ویژگی به افراد اجازه می‌دهد تا از میزان تحمل کربن در فرایندهای مختلف آگاه شوند.
میزان خاکستر
تشکیل خاکستر به کاهش فعالیت کربن و کارایی آن منجر می‌شود. تمام مواد پایه دارای مقداری خاکستر هستند ولی میزان این خاکستر در مواد مختلف، متفاوت است. این ویژگی میزان موادی غیر از کربن را در درون کربن فعال اندازه میگیرد و برای اندازه‌گیری مقدار خاکستر کربن فعال از روش استانداردASTMD 2866-2011 استفاده می‌شود.
نتیجه‌گیری
کربن اکتیو جنسی ذغالی و شکلی کریستالی‌مانند دارد و به گروهی از مواد کربنی متخلخل و سطح داخلی بالا گفته می‌شود که به دلیل جذب بالا و قابلیت فعال‌سازی مجدد، ماده‌ای منحصربه‌فرد به شمار می‌آید. ذغال (کربن) فعال اشکال مختلفی دارد و همین عامل موجب شده تا کاربرد گسترده‌ای در تصفیه گازها، آب و فاضلاب داشته باشد.
کربن فعال به دلیل اشکال مختلف خود، کاربردهای گسترده‌ای دارد؛ از جمله اینکه در جهت تصفیه گازها، آب و فاضلاب استفاده می‌شود، به حذف آلودگی‌های آب و فاضلاب و هوا کمک می‌کند و در زمینه بهبود بو، طعم و رنگ آب‌وهوا نیز مؤثر واقع می‌شود.
