[ کربن اکتیو ( زغال فعال ) چیست ؟ ]

ماده کربنی که به دلیل مساحت داخلی قابل توجه، ساختار پوک و منفذی، ظرفیت جذب بالا، قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح و همچنین قیمت پایین در مقایسه با جاذب‌های غیر آلی مانند زئولیت یک ماده منحصربه‌فرد می‌باشد.

بسیاری از مواد مایع و گازها دارای مقادیری مواد ناخواسته و ناخالصی هستند.در برخی موارد این ناخالصی ها شامل میکروب ، باکتری ، مواد سمی و آلوده کننده های دیگر می باشند که باوجود درصد بسیار کم ، عملا شرایط نامطلوبی را ایجاد می کنند، بطوریکه  طعم ، بو ، رنگ  و خواص دیگر را تغییر می دهند. برای رسیدن به شرایط دلخواه  در این

گو نه مایعات و گازها  بایستی ناخالصیها حذف شوند. یکی از بهترین روشهای حذف ناخالصیها  ، حذف آنها به شیوه جذب سطحی می باشد. حتی در بسیاری مواقع تنها شیوه موثر نیز می باشد.زغال فعال یک نوع جاذب قوی با  جذب سطحی فوق العاده می باشد و در هیچ حلال شناخته شده ای حل نمی شود و برجسته ترین مشخصه آن  حذف انتخابی آلاینده هاست و در برخی موارد برای بازیافت مواد نیز بکار می رود.میزان جدب زغال فعال به اندازه ساختار منافذ کربن و توزیع  اندازه منافذ و همچنین اندازه و  شکل مولکولهای آلاینده بستگی دارد.

شکل مقابل پدیده جذب و ساختار درونی زغال فعال را نشان می دهد.

کربن فعال  به عنوان یک ماده جاذب ، دارای کاربردهای مهم و حیاتی است . بعد از پیرولیز مواد  سلولزی گیاهی تحت عملیات فعال سازی با بخار آب  قرار گرفته  و بدست می آید.

کاربردهای عمده کربن اکتیو در صنایع آب برای از بین بردن رنگ ، بو و مزه غیردلخواه از آب در تصفیه فاضلاب کارخانه ها و در پالایشگاههای گاز برای  شیرین  سازی گاز و در  پتروشیمی  ها و پالایشگاههای نفت ، در خالص سازی داروها و

روغن های خوراکی و صنعتی ، صنایع قند ، صنایع دفاع و درتصفیه هوا و گازها بکار می رود. بازیافت حلالها و مواد شیمیائی نیز از کاربردهای عمده کربن اکتیو است.

با توجه به تنوع مصرف و تنوع مواد اولیه  انواع زیادی با مشخصات خاص کربن فعال تولید می شود که هر کدام برای مصارف خاصی ساخته می شوند.

پدیده جذب در سطوح داخلی سوراخهای کربن اکتیو بدلیل وجود انرژی موازنه نشده ای است که بین اتمهای سطحی و اتمهای داخلی سطوح سوراخها وجود دارد ، می باشد. این انرژی به کمک جاذبه مولکولی واندروالس بر اثر شکسته شده پیوند C-C ایجاد شده است و سطح داخلی سوراخها برای موازنه انرژی مولکولهای ناخالصی را جذب می کنند.

 

خصوصیات کربن اکتیو

 

با توحه به تنوع مواد اولیه و روش های تولیدگوناگون ، کربن اکتیو های مختلفی تهیه می شود که برای انتخاب صحیح ،  توجه به خصوصیات آن مهم می باشد.

سطح مخصوص : با استفاده ازمعادله Brunauer – Emmet – Teller و نیز بهره گیری ازگاز نیتروژن ، مساحت حفره ها در شبکه کربن فعال بدست می آید. هر چه مساحت این حفره ها بیشتر باشد ، تعداد مکانهای جذب بیشتر خواهد بود. کربن فعال های گوناگون دارای مقادیر سطح ویژه مختلف از800 – 2500 m2/gr می باشند.

تخلخل : هرچقدر منافذ کربن اکتیو بیشتر باشد ، کربن اکتیو فعالتر است. اندازه و شکل سوراخهای کربن اکتیو نیزدر پدیده جذب موثراست. قطر سوراخهای کربن اکتیو شامل منافذ ریز ( قطر منافذ کمتر از 20 A˚ ) منافذ متوسط ( قطر منافذ 20-50 A˚ ) و منافذ درشت( قطر منافذ بزرگتر از 50 A˚ )  می باشد . کربن اکتیو با منافذ ریز برای فاز گازی و با منافذ متوسط و درشت برای فاز مایع بکار می رود.
اندازه منافذ: تعیین اندازه های یک زغال فعال شده میتواند راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن باشد.که در IUPAC منافذ بر اساس اندازه به صورت زیر دسته بندی شده اند:
Micropores r<1nm
Mesopores r 1-25nm
Micropores r>25
که mesopore ها برای جا به جایی و Micropore ها برای جذب مواد هستند.

دانه بندی : کربن فعال درسایزهای مختلفی تولید می شود. ذرات کوچکتر عملکرد بهتری دارند ولی باعث افت فشار می شوند. به همین علت ، انتخاب با مقایسه بین کوچکترین ذرات ممکن و کمترین  افت فشار مجاز انجام می شود.

بطور کلی کربن اکتیو بصورت پودر ،گرانول و اشکال خاص می باشد.

سختی : سخت بودن کربن اکتیو مطلوب مشتری است.کربن های نرم به سادگی درحمل و نقل فرسوده می شوند. جریان طبیعی مایع و سیکلهای پس زدن آن ، سبب خرد شدن کربن اکتیو و در نتیجه باعث افت فشار در فیلتر و نیز صدمه به پمپ و تجهیزات می شود.

PH : یکی از خصوصیات مهم کربن فعال میزان PH  آن می باشد. PH در پدیده جذب و نگهداری مواد جذب شده موثر می باشد. شرکت شیمی پژوهان  کربن اکتیو با PH    سفارشی نیز تولید می نماید.

وزن مخصوص :  این مشخصه بستگی به ماده اولیه دارد. در مواردی که به روش غوطه وری از کربن اکتیو استفاده می شود وزن مخصوص حائز اهمیت است. بهتر است در بعضی موارد قبل از استفاده ، برای بالا بردن وزن مخصوص ، کربن اکتیو خیس گردد. البته برای انتخاب کربن اکتیو ، فاکتورهای دیگری مانند توانائی جذب انتخابی ،عدد یدی، خاکستر ، رطوبت و … مهم است.

از آنجائیکه کنترل کیفی محصول بسیار حائز اهمیت است ، شرکت شیمی پژوهان آزمایشهای لازم برای تعیین خواص کربن اکتیو را انجام می دهد.

 

انواع کربن اکتیو خالص و بارور شده :

کربن اکتیو از نظر شیمیائی نیز به دونوع خالص و بارور شده تقسیم می شود.

  • کربن اکتیو بارور شده :

کربن اکتیو برای مصارف خاص ، معمولا” توسط مواد شیمیائی اشباع می شود و این عمل به باروری انتخابی معروف است برای بالابردن توانائی و انتخاب جذب کربن اکتیو با توجه به نوع کاربرد ، کربن اکتیو را باموادی از قبیل فلزات ، نمکهای معدنی ، مواد آلی و … بارور می کنند که پدیده جذب در این موارد برگشت ناپذیر است. برای حذف ناخالصیها از طریق واکنش شیمیائی کربن اکتیو توسط مواد شیمیائی که در جدول صفحه بعد آورده شده اشباع  می شود. عمل اشباع بصورت رسوب عامل باروری در دیواره های خلل وفرج کربن اکتیو صورت می گیرد. با ورود گاز یا مایعی که می خواهند خالص سازی بر روی آن انجام گیرد در داخل خلل وفرج کربن اکتیو واکنش ناخالصی با عامل باروری صورت می گیرد.

نام محصول عامل شیمیائی

(عامل باروری )

درصد وزنی عامل  (wt%)  باروری مواد قابل جذب کاربردها
SCA 11 اسید سولفوریک 10 – 25 آمونیم ، آمین ، جیوه خالص سازی گازها و مایعات و فیلترهای اتاق
SCA 32 اسید فسفریک 10 -30 آمونیم ، آمین صنایع پتروشیمی
SCA 25 کربنات پتاسیم 10 -20 گازهای اسیدی

(HCL,NO2,H2S,HF)

دی سولفید کربن

جذب گازهای سمی و عصبی
SCA 65 اکسید آهن 10  و مرکاپتانها  H2S خالص سازی گازها و مایعات
SCA 12 گوگرد 10 -20 جیوه خالص سازی مایعات در پتروشیمی
SCA 28 پرمنگنات پتاسیم 5 از اکسید آهن  H2S صنایع پتروشیمی و نفت
SCA 21 اکسید منگنز آلدئید خالص سازی و کاتالیستها
SCA 64 اکسید روی 10 هیدروژن سیانید خالص سازی و زدودن عناصر مزاحم
SCA 27 پتاسیم یدید 1 – 5 A2H3,Hg,PH3,H2S بازیابی جیوه و آرسینک

مصارف کربن اکتیو

باتوجه به ماده اولیه و روش تولید ، کربن اکتیو انواع و کاربرد گوناگونی دارد.

حذف موثر بستگی به کیفیت کربن فعال شده مورد استفاده و شکل آن  دارد.

طبق گزارش EPA  آژانس حفاظت از محیط زیست در ایالات متحده کربن فعال تنها فن آوری فیلتراست که برای ایجاد محیطهای بدون آلودگی برای زندگی توصیه می شود.

  • تصفیه آب آشامیدنی ، آب معدنی ، حذف کلر آب مخصوصا” در نوشابه سازی ، آب استخر ، آب های زیر زمینی .به بیشتر آبهای آشامیدنی برای ایمن سازی آن کلر اضافه می گردد که ممکن است باعث طعم و بو شود که فیلترهای کربن فعال درازبین بردن کلر و طعم و بوی نامطبوع بسیار عالی هستند.البته کلر را نباید با کلرید اشتباه گرفت.درهنگام فیلتر شدن آب با کربن فعال کلرید را 50تا 70 درصدکاهش می دهد در موارد استثنایی ممکن است کلرید کمی افزایش یابد.
  • تصفیه ، رنگبری و بوزدائی مواد مختلف ومحصولات بهداشتی ، غذائی ودارویی مانند روغن ، شیره قند ، گلیسیرین و …
  • ایجاد محیطهای بدون آلودگی درصنایع پرخطر نظامی و غیر نظامی وهسته ای.
  • دام و طیور
  • استخراج عناصر با ارزش از مواد معدنی با عیار کم مانند طلا و نقره.
  • مصارف گوناگون در صنایع نفت ، گاز ، پتروشیمی و پالایشگاهها مانند بازیافت حلالها ، تصفیه آب و فاضلاب ، واحد شیرین سازی ، مراکس و….. نگهداری و حمل کاتالیستهای واکنش شیمیائی
  • تصفیه گازها ، هوا و فاضلابهای صنعتی و شهری.
  • بازیافت بخار گازوئیل و کانیستر اتومبیل.

 

  • انواع کاربرد های کربن اکتیو ( کربن فعال )
  • کاربرد کربن اکتیو در تصفیه گاز
  • بازیابی حلال ها در چاپ روتوگراوی ، صنایع بسته بندی و پوشش های سطحی ، صنایع غذایی و شیمیایی
  • تصفیه گاز طبیعی ، حذف H2S، BTX
  • حذف مواد تولید کننده بو از هوای خروجی از هود آشپزخانه ها و فیلتر یخچال ها
  • کنترل انتشار برای مثال در پمپ بنزین ها
  • حذف آلاینده ها از سیستم تهویه خودرو ها
  • برای تصفیه ی گاز دودکش ها در کارخانجات زباله سوزی برای حذف فلزات سنگین و دیوکسین ها
  • تصفیه گاز اگزوز برای حدف ناخالصی ها و آلاینده های آلی
  • تصفیه گاز فرآیندی مثل CO2، جداسازی روغن از هوای فشرده در واحدهای صنعتی
  • جداسازی آلاینده ها از هواسازها و سیستم های تهویه
  • در ماسک های گازی
  • در فیلتر سیگار
  • به عنوان محیط حامل در کاتالیست ها

 

  • کاربرد کربن اکتیو در رنگ بری
  • رنگ زدایی و خالص سازی از محصولات نهایی و واسطه ها در صنعت داروسازی
  • رنگ زدایی از محلول های حاوی شکر
  • رنگ زدایی و تصفیه محلول های که در تولید گلوکز و سایر محصولات نشاسته ای کاربرد دارند
  • رنگ زدایی از ادویه ها
  • تصفیه روغن های گیاهی و حیوانی
  • رنگ زدایی از گلیسیرین ، پارافین، وازلین، وکس، مواد شیمیایی با خلوص بسیار بالا، اسید های آلی، آنزیم ها
  • رنگ زدایی و بوزدایی از ژلاتین
  • تمیز کردن حمام های گالوانیزاسیون

 

  • کاربرد کربن اکتیو در مصارف بهداشتی
  • از این ترکیب در کرم های لایه بردار استفاده می شود و ماسک های آن را معمولا با نام ماسک سیاه و یا بلک ماسک در بازار به فروش می رسانند. منافذ پوستی در طول روز ممکن است به وسیله ی ذرات گرد و خاک پر شوند ، این ماده در کرم های لایه بردار ذرات آلودگی را از منافذ پوستی خارج می نماید و موجب تازگی و طراوت پوست و همچنین کوچکتر شدن منافذ پوستی می گردد.
  • زغال فعال می تواند در متعادل نمودن چربی پوست نقش به سزایی داشته باشد. این ماده روغن اضافی پوست را خارج می کند و سبب متعادل سازی آن می گردد. استفاده از این ماده تنها 1 الی دو بار در هفته توصیه می شود تا از خشکی بیش از اندازه ی پوست نیز جلوگیری به عمل آید.
  • شامپو های حاوی این ترکیب نیز به خوبی قدرت پاک کنندگی و از بین بردن گرد و غبار موجود بر روی مو را افزایش می دهند و سبب حجم دهی به موی سر می گردند
  • کاربرد کربن اکتیو در صنایع غذایی
  • کربن اکتیو به عنوان رنگ زدا از آب میوه ها و عصاره ی میوه ها مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر رنگزدایی این ماده می تواند در فیلتر های بستر ثابت ترکیبات آلی محلول را حذف نماید و سبب کنترل بو و مزه ی قند هایی مانند فروکتوز، لاکتوز و… شود

 

  • کاربرد کربن اکتیو در تصفیه آب
  • در مصارف تصفیه آب و پساب ، از دونوع پودری (به شکل سوسپانسیون) و گرانول (بستر ثابت، پرکولاسیون) با توجه به نوع کاربری آن استفاده می شود. در سالیان گذشته ، از این ماده برای حذف کلر و مواد ایجاد کننده بو و رنگ در آب استفاده می شد. اخیرا استفاده از این ماده برای تصفیه آب آشامیدنی ، آب های زیر زمینی و … استفاده می شود.
  • کربن اکتیو در تصفیه پساب بیولوژیکی برای حذف باکتری و مواد خطرناک نیز قابل استفاده است. هم جنین در واحد های تصفیه پساب و در مرحله سوم از این ماده برای بهبود کیفیت تصفیه و حذف موادی که نسبت به مواد مورد استفاده در تصفیه و روش های آن مقاوم هستند استفاده می شود.

کربن اکتیو گرانول

این نوع کربن فعال  از مواد اولیه متنوع از جمله پوست سخت میوه جات مانند گردو بادام و… و نارگیل و ذغالسنگ به روش فیزیکی با بخار یا روش شیمیایی تولید می شود .کاربردهای گوناگونی در فازمایع وگاز در صنایع مختلف باتوجه به میزان جذب بالا نیزدارند .

بصورت ذرات نامنظم  بی شکل از سایز 0.2 میلیمتر تا 4 میلیمترمی باشد .ودارای  سرعت نفوذ پذیری بالایی بوده  در جذب سطحی هر دو فاز مایع و گاز و معمولا به صورت بستر ثابت استفاده می شود .به دلیل مساحت داخلی قابل توجه، ساختار پوک و منفذی، ظرفیت جذب بالا، قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح و همچنین قیمت پایین در مقایسه با جاذب‌های غیر آلی مانند زئولیت یک ماده منحصربه‌فرد می‌باشد.

ویژگی اندازه ی ذره کربن اکتیو گرانول معمولا به صورت یک دامنه از اندازه ی حفره ی غربال بیان می‌شود کربن اکتیو گرانول در مقایسه با کربن اکتیو پودری سایز ذرات نسبتا بزرگتر و در نتیجه سطح خارجی کوچکتر دارد. به دلیل سرعت بالای نفوذ گازها و مایعات این نوع کربن برای جذب و بخار مناسب می باشد. کربن گرانول برای تصفیه آب، بوزدایی وجداسازی مواد موجود در جریانها و نیز در حوضچه های اختلاط سریع و…استفاده می شوند. کربن فعال گرانول در سایزهای 20×8، 40×20، 30×8 برای استفاده در فاز مایع و سایزهای 6×4، 8×4، 10×4 برای استفاده در فاز بخار ساخته میشوند.مثلا کربن اکتیو گرانول سایز 40×20 از ذراتی تشکیل شده است که در محدوده مش 20 تا 40 هستند و از مش شماره 20 (0/84 میلیمتر) عبور می کنند اما بر روی غربال استاندارد آمریکایی شماره 40 (0/42 میلیمتر) باقی می مانند و عبور نمی کنند. به دلیل ایجاد تعادل مناسب بین پارامترهای سایز، مساحت و افت فشار محبوبترین نوع کربن فاز آبی، کربن اکتیوگرانول با سایزهای 30×8 و 40×12 مش می باشد.

 

درجدول زیر آنالیز انواع کربن اکتیو گرانول می باشد

با توجه به نیازو سفارش مشتری کربن اکتیو گرانول تولید می گردد.

کربن های اسیدواش نیز موجود هستند.

Result UNIT Standard ITEM   
800-1300 M2/gr BET Surface Area 1
700-1400 Mgr/gr ASTM D4607 Iodine Number 2
280-550 Kg/m3 ASTM D2854 Bulk Density 3
3-11   ASTM D3838 PH 4
2-8 %wt ASTM D2867 Moisture 5
75-96   ASTM D3802 Ball – Pan Hardness 6
8*30

6*12

12*40

mesh ASTM D2862 Particle Size G.r 7
15-2 %wt ASTM D2866 Ash 8

 

بسته بندی :پاکتهای ضدآب 20 -15 کیلوگرمی

بیگ بگ 400الی500 کیلوگرمی

کربن اکتیو پودری

Result UNIT Standard ITEM   
800-1300 M2/gr BET Surface Area 1
700-1200 Mgr/gr ASTM D4607 Iodine Number 2
280-550 Kg/m3 ASTM D2854 Bulk Density 3
3-11   ASTM D3838 PH 4
2-8 %wt ASTM D2867 Moisture 5
190-280 Mg/gr   Methylene  Blue 6
80 -325 mesh ASTM D2862 Particle Size 7
4-15 %wt ASTM D2866 Ash 8

با توجه به نیازو سفارش مشتری کربن اکتیو پودری تولید می گردد.

این گروه کربن اکتیو از مواد ریزتر کربن خرد یا آسیاب شده که 95-100% آن از غربال 80مش عبور می کنند، ساخته شده اند.

ASTM ذراتی که از غربال 80مش (18 میلیمتر) عبورمی کنند را دراین گروه طبقه بندی می کنند.

مزیت مهم کربن فعال پودری مقدار بالای سطح فعال در واحد حجم است، و قدرت رنگبری بالایی نیز دارد اما به دلیل اندازه ریز ذرات افت فشار بالایی را ایجاد می کند.

 

بسته بندی :پاکتهای ضدآب 20 -15 کیلوگرمی