کربن فعال (اکتیو)

کربن فعال (Activated carbon)،  یا کربن اکتیو یا زغال فعال، ماده ‏ای جامد با رنگ سیاه و بدون بو و طعم است و به گونه ای از کربن که دارای ساختار متخلخل، منافذ کوچک و سطح داخلی بالا است، اطلاق می‌شود.

 کربن فعال به‌ دلیل مساحت داخلی بالا، ساختار متخلخل ، ظرفیت جذب بالا، قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح، ماده منحصربه‌فردی است که در فرایندهای جذب به عنوان یک جاذب قوی برای مواد محلول در گازها و مایعات یا واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار می‏ گیرد.

کربن فعال از پیرولیز (Pyrolysis) یا کربونیزاسیون (Carbonization) مواد سلولزی از قبیل چوب، زغال‌سنگ، پوسته میوه‌ ها مانند پوست سخت نارگیل، گردو، بادام، پسته، فندق و یا  هسته میوه‏ ها مانند هلو، زردآلو حاصل می‌گردد و در مراحل بعدی تحت عملیات فعال‌سازی به روش فیزیکی یا روش شیمیایی قرار می‌گیرد.

پیرولیز مواد سلولزی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکول‌های غیرآلی و خروج آ‏ن‏ها از مواد سلولزی گیاهی می‏ شود و در انتها یک ماده جامد کربنی از آن ایجاد  می‏ شود. ماده تولیدشده دارای سطح ویژه و تخلخل بالایی می‌باشد.

کاربردکربن فعال (اکتیو) برای جذب ناخالصی‏ها:

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 مایع یا گاز را تغییر می دهند. برای رسیدن به شرایط دلخواه در اینگو نه مایعات و گازها بایستی ناخالصی‏ ها حذف شوند.

یکی از روش‏های موثر جهت حذف ناخالصی‏ ها، حذف آنها به روش جذب سطحی می باشد. کربن اکتیو یا زغال فعال یک نوع ماده جاذب قوی با  جذب سطحی فوق العاده می باشد که برای حذف ناخالصی ‏ها از آن استفاده می‏شود. کربن فعال در هیچ حلال شناخته شده‏ ای حل نمی شود و برجسته ترین مشخصه آن  حذف انتخابی آلاینده هاست. میزان جذب سطحی ناخالصی‏ ها بر روی کربن اکتیو وابسته به اندازه و ساختار منافذ کربن ، توزیع  اندازه منافذ و همچنین اندازه و  شکل مولکول‏ های آلاینده است.

پدیده جذب در سطوح داخلی سوراخ‏ های کربن اکتیو بدلیل وجود انرژی موازنه نشده‏ای بین الکترون‏های سطحی و الکترون‏های داخلی سطوح سوراخ‏ها است. این انرژی به کمک جاذبه مولکولی واندروالس بر اثر شکسته شدن پیوند کربن – کربن (C-C) ایجاد شده است و سطح داخلی سوراخ‏ها برای موازنه انرژی مولکول‏های ناخالصی را جذب می کنند.

 

 

صنایع مصرف کننده کربن فعال (اکتیو):

 با توجه به ماده اولیه استفاده شده در تهیه کربن اکتیو و روش تولید آن، انواع کربن اکتیو برای استفاده در صنایع مختلف تولید می‏شود. بیشترین کاربرد کربن اکتیو جهت جذب ناخالصی‏ ها در صنایع زیر است،

  • صنایع تصفیه آب و تصفیه فاضلاب برای از بین بردن رنگ ، بو و مزه غیردلخواه از آب (حذف کلر، باکتری)
  • تصفیه پساب‏های حاوی مواد بیولوژیک ، باکتری‏ و مواد خطرناک (کاهش BOD  و COD)
  • پالایشگاه‏های گاز برای شیرین  سازی گاز ،
  • پالایشگاه‏های نفت و پتروشیمی‏ ها
  • صنایع فرآوری و استخراج طلا
  • صنایع تولید قند برای حذف رنگ (رنگ زدایی) و ناخالصی‏ ها
  • صنایع تولید کننده روغن های خوراکی و صنعتی،
  • نیروگاه‏های تولید برق،
  • صنایع آلاینده هوا برای جذب الاینده ها
  • تجهیزات تصفیه و فیلتر هوا و آلاینده ‏های گازی از دودکش کارخانجات
  • بازیافت حلالهای آلی و مواد شیمیائی
  • پایه کاتالیست‏های واکنش شیمیایی در صنایع نفت و پتروشیمی (رسوب فلزات، نمک‏های معدنی و مواد آلی بر روی دیواره منافذ کربن اکتیو)

خصوصیات کربن فعال (اکتیو):

شرکت شیمی پژوهان، با توجه به دامنه وسیع صنایع مصرف کننده کربن فعال و تنوع ناخالصی‏ هایی که باید از مواد مختلف در این صنایع توسط کربن فعال جذب سطحی شوند و همچنین تنوع منابع مواد اولیه سلولزی برای تولید، انواع کربن فعال با مشخصات فیزیکی و مکانیکی خاص مورد نیاز صنایع مصرف کننده را تولید می‏کند.

شرکت شیمی پژوهان، آزمایش‏های لازم برای تعیین خواص فیزیکی کربن اکتیو را در آزمایشگاه شرکت با استفاده از تجهیزات، دستگاه‏ های لازم و با روش‏های استاندارد ASTM انجام می‏دهد. مشخصات فیزیکی که برای انتخاب نوع کربن اکتیو حائز اهمیت هستند به شرح زیر است؛

سطح مخصوص (Specific Surface Area): با استفاده از معادله Brunauer – Emmett – Teller (BET) و نیز بهره‏گیری ازگاز نیتروژن در دستگاه آنالیز BET، مساحت حفره ها در شبکه کربن فعال بدست می آید. آنالیزBET  یکی از روش های اندازه گیری فیزیکی برای بررسی جذب مولکول‌ های گاز روی سطح جامد، تعیین سطح مخصوص ( سطح ویژه) و بررسی تخلخل های سطحی است. در روش BET میزان جذب گاز روی سطح، نسبت مستقیمی با میزان سطح دارد. از این رو هرچه سطح حفره ها بیشتر باشد ، تعداد مکان‏های جذب بیشتر خواهد بود و میزان گاز جذب شده روی سطح نیز افزایش می‌یابد. با اندازه‌گیری میزان گاز جذب شده روی سطح می‌توان میزان سطح ماده را اندازه گیری کرد. کربن فعال دارای مقادیر سطح ویژه مختلف از 500 تا 1500 m2/g  می‏‏باشند.

تخلخل(Porosity): تخلخل معیاری برای تعیین میزان فضای توخالی درون یک ماده است. این معیار، نسبت حجم فضای توخالی به حجم کل را نمایش می‌دهد و مقادیر آن بین  صفر تا 100 درصد تغییر می‌کند. اکثر مواد جامد در داخل ساختار خود دارای حفراتی هستند که تحت عنوان تخلخل (Porosity) شناخته شده و بر اساس اندازه، نوع و شکل تقسیم ‌بندی می‌شوند.

هرچقدر میزان تخلخل و تعداد منافذ کربن اکتیو بیشتر باشد ، کربن اکتیو فعال‏ تر است. همچنین شکل و ابعاد سوراخ‏ های منافذ کربن اکتیو نیز در پدیده جذب موثر هستند.

اندازه منافذ (Pore Size): تعیین اندازه منافذ کربن اکتیو راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن می‏باشد. براساس تقسیم ‌بندی که توسط آیوپاک (IUPAC) انجام شده است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره ‌ها، می‌تواند حاوی حفره‌هایی با قطر کوچک‌تر از 2 نانومتر با نام میکروحفره (Micro porosity)، حفره‌هایی با قطر بین 2 تا 50 نانومتر با نام مزوحفره  (Meso porosity) و حفره‌هایی با قطر بزرگ‎تر از 50 نانومتر با نام ماکروحفره (Macro porosity) باشد. همچنین بر اساس شکل هندسی، تخلخل ها به صورت های استوانه ‌ای، مخروط ناقص، لایه ‌ای، قطره‌ ای و چاهکی شکل طبقه‌بندی می‌شوند.

کربن اکتیو با منافذ ریز در محدوده Micropores برای فاز گازی و جذب مواد و کربن اکتیو با منافذ متوسط و درشت در محدوده mesopores برای فاز مایع و جا به جایی مواد  استفاده می‏شوند.

دانه بندی(Particle Size):  کربن اکتیو درابعاد مختلف بصورت پودر ،گرانول، استوانه‏ای و اشکال خاص تولید می شود. ذرات کوچکتر کربن اکتیو عملکرد بهتری دارند ولی باعث افت فشار در تجهیزات یا فیلتر‏ها می شوند. به همین علت ، بهینه ترین انتخاب با در نظر گرفتن کوچکترین اندازه ذرات کربن اکتیو قابل استفاده و منظور کردن کمترین افت فشار مجاز، انجام می شود.

سختی(Hardness): سخت بودن کربن اکتیو یکی از خواسته ‏های مورد توجه مصرف کنندگان  است.کربن اکتیو نرم درحمل و نقل تخریب و بدون استفاده می شوند. همچنین در هنگام استفاده در اثر جریان طبیعی مایع و سیکل ‏های پس زدن آن ، کربن فعال خرد شده و باعث افت فشار در فیلتر و نیز صدمه به پمپ و سایر تجهیزات می شود.

اسیدیته(pH): یکی از خصوصیات مهم کربن فعال میزان اسیدیته ( pH) آن می باشد . این خاصیت در فرآیند جذب و نگهداری مواد جذب شده بر روی سطح کربن اکتیو موثر است.

وزن مخصوص(Density): وزن مخصوص کربن اکتیو تولید شده عبارت است از وزن کربن اکتیو در واحد حجم آن و بر حسب g/cm3 یا Kg/m3 گزارش می‏شود. وزن مخصوص کربن اکتیو بستگی به نوع ماده اولی ه‏ای که در ساخت آن مورد استفاده قرار گرفته است، دارد. در فرآیندهایی که از کربن اکتیو به روش غوطه وری استفاده می شود وزن مخصوص حائز اهمیت است. بهتر است در بعضی موارد قبل از استفاده ،کربن اکتیو خیس شود.

عدد یدی (Iodine Number/Adsorption): عدد یدی یکی از مشخصات فیزیکی کربن اکتیو می‌باشد. عدد یدی در واقع مقدار ید مصرفی توسط یک گرم از یک ماده می‌باشد. از این عدد اغلب برای محاسبه میزان غیر اشباعیت در اسیدهای چرب و هیدروکربن‌ ها استفاده می‌شود. این عدد برای کربن اکتیو نشانه میزان فعالیت این ماده و دسترسی حفرات آن برای جذب مواد می‌باشد به طوری که هر چه مقدار آن بالاتر باشد فعالیت کربن اکتیو برای جذب مواد با وزن مولکولی کمتر و با قطر کمتر، بیشتر است. این عدد معمولا به صورت میلی‏گرم عنصر ید جذب شده به ازای هر گرم از کربن اکتیو (mg/g)  گزارش می‌شود و محدوده‌ای بین ۱۲۰۰-۵۰۰ برای کربن اکتیو دارد. به عنوان مثال برای صنایع تصفیه آب عدد یدی بهتر است در بازه mg/g  600 -1000   باشد.

خاکستر(Ash Content): یکی از پارامترهای مهم مشخصات فیزیکی اکتیو کربن “مقدار خاکستر” است. مقدار آن انحصارا بستگی به ماده سازنده مورد استفاده برای تولید کربن فعال (به عنوان مثال نارگیل، چوب، زغال سنگ و …) دارد.

جذب متیل بلو (Methylene Blue): برخی از کربن‌ها دارای ساختار مزوپور (نیمه متخلخل) هستند به نحوی که مولکول‌های با اندازه متوسط نظیر مولکول جوهر متیل بلو را جذب می‌نمایند. این پارامتر با واحدهای مختلفی همانند mg/g  بیان می‌شود. این پارامتر برای کربن فعال ۲۸۰-۱۱۰ mg/g  گزارش شده است.

رطوبت(Moisture Content): رطوبت کربن فعال نشانگر مقدار آبی است که در شرایط نرمال به صورت فیزیکی با کربن فعال پیوند برقرار کرده است. حد مجاز برای مقدار رطوبت در کربن اکتیو در محدوده 3 – 8 % می باشد.

 

از آنجائی که کنترل کیفی محصول بسیار حائز اهمیت است ، شرکت شیمی پژوهان آزمایش‏های لازم برای تعیین خواص کربن اکتیو را در محل تولید و در آزمایشگاه خود انجام می دهد.

 

 

شرکت شیمی پژوهان، براساس نیاز و سفارش مصرف کنندگان کربن فعال (اکتیو)را به دو شکل گرانول (دانه‏ های نامنظم) و پودری با مشخصات زیر تولید می ‏کند؛

 

جدول (1) مشخصات فنی کربن فعال (اکتیو) گرانول

 

 نوع بسته ‏بندی :

  • کیسه ‏های ضد آب 15 تا 20 کیلوگرمی
  • جامبوبگ 400 تا 500 کیلوگرمی

 

جدول (2) مشخصات فنی کربن فعال (اکتیو) پودری

نوع بسته ‏بندی :

  • کیسه ‏های ضد آب 15 تا 20 کیلوگرمی