کربن فعال (Activated Carbon)
کربن فعال (Activated Carbon) یا اکتیو کربن نوعی کربن میباشد که طوری فراوری شده است که دارای منافذ کوچک و کم حجم باشد. این عمل باعث می‌شود تا سطح تماس کربن افزایش یابد تا بتواند در فرایندهای جذب یا واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. گاهی کلمه Active جای کلمه Activated را می‌گیرد. در این مقاله به کاربردهای کربن فعال و همچنین در انتهای این مطلب به مشخصات فیزیکی اکتیو کربن اشاره خواهیم کرد.
در این مقاله میخوانید:
آشنایی با کربن فعال (Introduction to Activated Carbon)
کاربردهای کربن فعال (Activated Carbon Applications)
انواع کربن فعال (Types Of Activated Carbon)
مشخصات فیزیکی اکتیو کربن (Physical Properties Of Activated Carbon)
روش های تولید اکتیو کربن (Activated Carbon Production Methods)
کربن فعال (Activated Carbon) چیست؟
همانطوری که گفته شد، کربن فعال (Active Carbon) یا اکتیو کربن یا زغال فعال نوعی کربن میباشد که طوری فراوری شده است که دارای منافذ کوچک و کم حجم باشد. این عمل باعث می‌شود تا سطح تماس کربن افزایش یابد تا بتواند در فرایندهای جذب یا واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.
به دلیل تعداد حفرات بسیار بالای اکتیو کربن، یک گرم از آن بیش از ۳۰۰۰ متر مربع سطح تماس دارد. بسیاری از فرایندها، ممکن است تنها در شرایط وجود سطح تماس بالا انجام گیرند که این امکان توسط این ماده فراهم است.
کربن فعال معمولا از زغال چوب (Charcoal) و بعضاً به عنوان biochar (زغال تهیه شده از زیست توده‌های گیاهی و ضایعات کشاورزی) استفاده می‌شود. همچنین زمانی که از زغال سنگ یا ذرت مشتق شود، به عنوان زغال فعال شناخته می‌شود. (واژه زغال را بعضا به صورت ذغال نیز می‌نویسند).
کاربردهای کربن فعال
از این ماده در موارد و فرایندهای زیر استفاده می‌شود:
- ذخیره سازی متان و هیدروژن
- تصفیه هوا
- احتراق
- تصفیه طلا
- استخراج فلز
- تصفیه آب
- دارو
- تصفیه فاضلاب
- فیلترهای هوا در ماسک های گاز و دستگاه تنفس
- فیلترهای موجود در هوا فشرده
- سفید کردن دندان‌ها
- تولید کلرید هیدروژن در تاریکی
- و بسیاری از کاربردهای دیگر
کاربردهای کربن فعال در صنعت
یکی از کاربردهای عمده صنعتی که از اکتیو کربن استفاده می‌شود، در فرایند افزایش دوام فلزات (Metal Finishing) به منظور تصفیه محلول‌های آبکاری شده است. به عنوان مثال، این فرایند، تکنیک اصلی تصفیه برای حذف ناخالصی‌های محلول‌های آبکاری شده نیکل روشن میباشد. استفاده از اکتیو کربن این ناخالصی‌ها را از بین می‌برد و فرآیند آبکاری را به حد مطلوب خود میرساند.
کاربردهای کربن فعال در پزشکی
از اکتیو کربن برای درمان مسمومیت‌ها و اوردوز مواد شیمیایی استفاده می‌شود. قرص‌ها و کپسول‌های اکتیو کربن در بسیاری از کشورها به عنوان یک داروی بدون نسخه برای درمان بیماری‌های اسهال، سوء هاضمه و نفخ استفاده می‌شود.
با این وجود، زغال چوب فعال (Activated Charcoal) هیچگونه اثری از گاز روده و اسهال را نشان نمی‌دهد و هنگامی که مسمومیت ناشی از خوردن مواد خورنده نظیر قلیاها و اسیدهای قوی، آهن، اسید بوریک، لیتیم، فراورده‌های نفتی یا الکل باشد، به طور معمول و از نظر پزشکی بی اثر است. لازم به ذکر است اکتیو کربن از جذب شدن این مواد شیمیایی درون بدن انسان جلوگیری نمی‌کند.
به ویژه اکتیو کربن در برابر مسمومیت اسیدها و بازها قوی، سیانید، آهن، لیتیم، آرسنیک، متانول، اتانول یا اتیلن گلایکول بی اثر است.
استفاده نادرست (به عنوان مثال در ریه‌ها) منجر به آسپیراسیون ریوی می‌شود که در صورت عدم شروع درمان فوری، گاهی اوقات میتواند کشنده باشد.
کاربردهای کربن فعال در شیمی تجزیه
اکتیو کربن با درصد وزنی ۵۰ با Celite به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی فشار پایین جداسازی کربوهیدرات‌ها استفاده می‌شود. همچنین این ماده برای استخراج ضد انعقادهای خوراکی مستقیم (DOACs) از نمونه‌های پلاسمای خون مفید است.
کاربردهای زیست محیطی
خاصیت جذب کربن کاربردهای بسیاری در حذف آلاینده‌ها از هوا یا آب هم در محیط‌های عادی و هم در فرایندهای صنعتی همانند موارد زیر دارد:
پاکسازی نشت مواد شیمیایی (Spill Cleanup)
اصلاح آب های زیرزمینی
فیلتراسیون آب های آشامیدنی
تصفیه هوا
جذب ترکیباتی آلی فرار
بازیابی ترکیبات آلی فرار (سیستم های بازیابی حلال یا SRU)
تصفیه اکتیو کربن به دلیل ماهیت چند منظوره، یک روش موثر برای تصفیه آب میباشد. روش‌ها و تجهیزات متنوعی از تصفیه اکتیو کربن وجود دارد که بسته به نوع آلودگی انتخاب می‌شوند. همچنین از این ماده برای اندازه‌گیری غلظت رادون در هوا نیز استفاده می‌شود.
کاربردهای کشاورزی
از کاربردهای دیگر کربن فعال استفاده از آن در بخش کشاورزی بخصوص در پرورش دام است. به عنوان مثال از این ماده به عنوان کشنده آفات، مواد افزودنی خوراک دام، کمک به فراوری و ضدعفونی کننده استفاده می‌شود.
ذخیره سوخت
تحقیقاتی در زمینه توانایی های اکتیو کربن برای ذخیره سازی گاز طبیعی انجام شده است. مواد متخلخل به عنوان جاذب برای گازهای متنوع عمل می‌کند. گاز مورد نظر به ماده کربنی به وسیله نیروهای واندروالسی جذب می‌شود. سپس گاز جذب شده زمانی که در معرض دمای بالاتر قرار گیرد امکان دفع دارد. یا اینکه برای تولید کار یا به منظور استخراج گاز هیدروژن برای استفاده در پیل های سوختی هیدروژنی سوزانده شود.
ذخیره سازی گاز در کربن فعال یک روش ذخیره سازی جالب است. زیرا گاز میتواند در فشار کم، جرم کم، حجم کم محیط که بسیار مقرون به صرفه تر از مخازن بزرگ تحت فشار میباشد، ذخیره شود.
خالص سازی گاز
فیلترهای اکتیو کربن معمولا در هوای فشرده و خالص سازی گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند تا بخارات نفتی، بو و دیگر هیدروکربن‌های را از آن حذف کنیم. رایج‌ترین طرح‌ها استفاده اولیه از فیلتراسیون ۱ یا ۲ مرحله‌ای که در آن کربن فعال در فیلتر مدیا تعبیه شده است، می‌باشند.
تصفیه شیمیایی
اکتیو کربن معمولا در مقیاس آزمایشگاهی برای خالص سازی محلولات از مولکول‌های آلی که شامل ناخالصی‌های آلی رنگی ناخواسته است مورد استفاده قرار می‌گیرد. عمل فیلتراسیون مواد بر روی کربن فعال در مقیاس بزرگ آزمایشگاهی در صنایع شیمیایی و داروی به همین منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد.
انواع کربن فعال
کربن فعال‌ها ترکیبات پیچیده‌ای هستند که طبقه بندی آنها بر اساس رفتار، مشخصات سطحی و سایر معیارهای اساسی آنها دشوار است. با این وجود، تعدادی طبقه بندی گسترده بر اساس اندازه، روش‌های آماده سازی و کاربردهای صنعتی وجود دارند.
کربن فعال پودری (Powder Activated Carbon)
معمولا، اکتیو کربن‌ها (R 1) در فرم‌های خاص به صورت پودری یا گرانول‌های ریز با اندازه کمتر از ۱mm و قطر میانگین بین ۰/۱۵-۰/۲۵ میلیمتر ساخته می‌شوند. بنابراین این نوع اکتیو کربن‌ها دارای نسبت سطح به حجم بالا به همراه فاصله نفوذ کم می‌باشند.
اکتیو کربن های پودری ذراتی ریزتر هستند. این مواد از طریق خرد کردن یا له کردن ذرات کربن بدست می‌آیند که ۹۵-۱۰۰ درصد آنها از یک مش مشخص عبور می‌کنند. به دلیل هدر رفت انرژی بالای این محصول، نگهداری آنها در یک ظرف خاص رایج نیست. در عوض، این ماده عموما به طور مستقیم به واحدهای فرآیندی دیگر که مربوط به جداسازی و ته نشینی مواد موجود در آب میباشد، اضافه می‌شود.
کربن فعال گرانولی (Granular Activated Carbon)
اندازه ذرات کربن فعال گرانولی (دانه‌ای) نسبت به کربن فعال پودری نسبتا بزرگتر است، به همین دلیل مقدار سطح تماس کمتری دارد. این نوع کربن‌ها برای فرایند جذب گازها و بخارات مفید هستند زیرا به سرعت نفوذ پیدا می‌کنند.
کربن فعال‌های گرانولی برای تصفیه آب، بوزدایی و جداسازی ذرات در سیستم‌های جاری و همچنین استفاده در حوضچه‌های اختلاط سریع مورد استفاده قرار می‌گیرند. کربن فعال گرانولی میتواند هم به شکل گرانول و هم به شکل اکسترود شده باشند.
از دیگر انواع کربن فعال میتوان به کربن فعال اکسترود شده، اکتیو کربن ساچمه‌ای، کربن فعال آغشته شده، کربن فعال با پوشش پلیمری و اکتیو کربن بافتی اشاره کرد.
مشخصات فیزیکی اکتیو کربن
همانطوری که در ابتدا گفته شد، یک گرم اکتیو کربن میتواند سطح تماس بیش از ۵۰۰ متر مربع و حتی بالاتر (۳۰۰۰ متر مربع) داشته باشد. آئروژل‌های کربنی گرچه گران تر هستند، دارای سطح تماس بیشتری نیز هستند که در موارد خاص از آنها استفاده می‌شود. پارامترهای متفاوتی برای طبقه بندی اکتیو کربن‌ها وجود دارد. در قسمت قبل به انواع اکتیو کربن‌ها (پودری، گرانولی و …) اشاره شد. در ادامه به برخی مشخصات فیزیکی اکتیو کربن اشاره می‌شوند.
عدد یدی (Iodine Number)
یکی از مشخصات فیزیکی اکتیو کربن عدد یدی میباشد. عدد یدی در واقع مقدار ید مصرفی توسط ۱۰۰ یا یک گرم از یک ماده میباشد. از این عدد اغلب برای محاسبه میزان غیر اشباعیت در اسیدهای چرب و هیدروکربن‌ها استفاده می‌شود. این عدد برای کربن فعال نشانه میزان فعالیت این ماده و دسترسی حفرات آن برای جذب مواد میباشد به طوری که هر چه مقدار آن بالاتر باشد سطح فعالیت ماده بیشتر است.
این عدد معمولا به صورت mg/g گزارش می‌شود و محدوده‌ای بین ۱۲۰۰-۵۰۰ برای اکتیو کربن دارد. به عنوان مثال برای صنایع تصفیه آب عدد یدی بهتر است در بازه mg/gr 600-1100 باشد.
سختی (Hardness)
معیاری برای بیان مقدار مقاومت کربن فعال در برابر خراش و سایش میباشد. بسته به مواد اولیه سازنده، میزان سختی نیز متفاوت خواهد بود.
متیل آبی (Methyl Blue)
برخی از کربن‌ها دارای ساختار مزوپور (نیمه متخلخل) هستند که برخی از مولکول‌های با اندازه متوسط نظیر جوهر متیل بلو را جذب می‌نمایند. این پارامتر با واحدهای مختلفی همانند mg/g بیان می‌شوند. این پارامتر برای کربن فعال ۲۸۰-۱۱۰ mg/gr گزارش شده است.
میزان خاکستر (Ash Content)
از پارامترهای مهم مشخصات فیزیکی اکتیو کربن “مقدار خاکستر” است. وجود خاکستر میزان فعالیت کربن فعال را کاهش می‌دهد. مقدار آن انحصارا بستگی به ماده سازنده مورد استفاده برای تولید کربن فعال (به عنوان مثال نارگیل، چوب، زغال سنگ و …) دارد. برخی از کربن‌های دارای ساختار مزوپور (نیمه متخلخل) هستند که برخی از مولکول‌های با اندازه متوسط نظیر جوهر متیل بلو را جذب می‌نمایند. این پارامتر با واحدهای مختلفی همانند mg/g بیان می‌شوند. این پارامتر برای کربن فعال ۲۸۰-۱۱۰ mg/gr گزارش شده است.
فعالیت کربن تتراکلراید (CTC)
برای اندازه گیری میزان تخلخل کربن فعال از تست (Carbon Tetrachloride Activity) یا به اختصار CTC استفاده می‌کنند. در این روش با اندازه گیری میزان جذب بخارات کربن تتراکلراید از صحت و درستی نحوه تولید کربن فعال اطمینان پیدا می‌کنند.
توزیع اندازه ذرات (Particle Size Distribution)
هرچه اندازه ذرات کربن فعال ریزتر باشد، دسترسی به سطح تماس بهتر و سرعت جذب نیز سریع‌تر خواهد بود. در سیستم‌های با فاز بخار این مورد باید برخلاف افت فشار در نظر گرفته شود، که روی هزینه انرژی تاثیرگذار خواهد بود.
توجه دقیق به توزیع اندازه ذرات میتواند بر بهبود فرایند تاثیر قابل توجهی بگذارد. با این حال، در مواقعی که از کربن فعال برای جذب مواد معدنی نظیر طلا استفاده می‌کنیم، اندازه ذرات بایستی در حدود ۳٫۳۵-۱٫۴ میلیمتر باشد. کربن فعال با اندازه ذرات کمتر از یک میلیمتر برای تصفیه مناسب نیست
سایر مشخصات فیزیکی اکتیو کربن
پارامترهای دیگری نیز برای طبقه بندی اکتیو کربن‌ها وجود دارند. از این پارامترها میتوان به سطح تماس (Surface Area)، دانسیته توده (Bulk Density)، حجم حفره (Pore Volume)، اشاره کرد. در زیر به نمونه‌ای از دیتاشیت کربن فعال اشاره شده است.
روش های تولید اکتیو کربن
کربن فعـال کربنی است که از مواد منبع کربنی نظیر بامبو، پوست نارگیل، چوب، الیاف پوست نارگیل، زغال قهوه‌ای، زغال سنگ و قیر ساخته شده است. در ادامه با روش های تولید اکتیو کربن با زغال سنگ و پوست نارگیل آشنا می‌شویم.
روش تولید اکتیو کربن با پوست نارگیل (Coconut Shell-based Activated Carbon)
یکی از روش های تولید اکتیو کربن استفاده از پوست نارگیل میباشد. اکتیو کربن ساخته شده توسط این منبع دارای گرد و غبار کمتری خواهد بود. به دلیل داشتن حفره‌های ریز، بسیار برای جذب شیمیایی مواد آلی مناسب می‌باشند. اکتیو کربن ساخته شده بدین روش دارای سختی بیشتری نسبت به سایر روش های تولید کربن فعال دارد که این عمل موجب تولید کربنی ایده‌آل‌تر برای صنایع تصفیه آب خواهد شد.
اکتیو کربن از پوست نارگیل طی دو مرحله زیر تولید می‌شود:
مرحله اول) قدم اول برای فعالسازی کربن، کربنیزه کردن پوست با راندن حدود دو سوم مواد فرار از پوست نارگیل میباشد. بدین طریق یک توده کربنی با حفرات ریز ایجاد می‌شود.
مرحله دوم) در مرحله دوم، این پایه کربنی در دمای بالا (حدود ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد) در بخار آب، فعال می‌شود. دمای فعالسازی و مقدار زمان فعال شدن برای ایجاد شبکه‌های حفره داخلی مهم است. در حقیقت، کل فرایند فعالسازی، مشخصات منحصر کربن اکتیو تولید شده را مشخص می‌کند.
روش تولید کربن فعال با زغال (Coal-based Activated Carbon)
یکی از روش های تولید اکتیو کربن استفاده از زغال سنگ یا زغال چوب است. در این روش ماده مورد نظر را از به صورت های مختلف نظیر پودری یا گرانولی درمی‌آورند. در این روش بخار آب با گذر از روی این مواد عمل فعالسازی را ایفا می‌کند و بدین ترتیب بر روی سطح کربن میلیون‌ها منفذ ایجاد می‌شود. کربن فعال تولید شده از زغال در کاربردهای تصفیه فاز گاز، تصفیه آب‌های آشامیدنی و تصفیه فاضلاب بسیار مورد توجه است.
در صورت درخواست خرید اکتیو کربن میتوانید با شماره تماس ۰۹۱۱۶۶۶۶۱۹۰ و یا شماره ۴۴۰۲۱-۰۱۱ داخلی (۱۰۹) تماس حاصل فرمایید.
