تولید کربن فعال
فرآيند جذب شامل تراکم و تجمع آلاینده‌هاي آلی یا معدنی شامل فلزات، رنگ‌ها و دیگر آلاینده‌ها از محلول‌هاي آبی با استفاده از جاذب است. استفاده از جاذب‌هاي زيستي در سال‌هاي اخير مورد توجه بسياري از پژوهشگران بوده‌است این مواد می‌توانند زیست توده‌هاي زنده یا مرده باشند. جذب به وسیله‌ي جاذب زنده تجمع زیستی (bioaccumulation) و جذب با جاذب مرده جذب زیستی نامیده می‌شود. امروزه جذب سطحی به عنوان یک روش مؤثر و اقتصادی برای تصفیه پساب‌ها شناخته می‌شود. فرآیند جذب سطحی دارای انعطاف‌پذیری در طراحی و بهره‌برداری بوده و یک جریان خروجی تصفیه شده با کیفیت بالا تولید می‌کند.
کربن فعال به عنوان یک جاذب داراي کاربردهاي مهم و حیاتی می‌باشد. این ماده از پیرولیز مواد گیاهی حاوي کربن تولید می‌شود و تحت عملیات فعالسازي قرار می‌گیرد.
با توجه به نوع مواد خام مصرفی، کربن‌هاي فعال داراي اندازه منافذ و شکل‌هاي متفاوت هستند و از طرفی با توجه به توزیع اندازه منافذ، داراي کاربردهاي گسترده و ویژه اي می‌باشند.کربن‌هاي فعال به دلیل ویژگی‌هاي منحصربه فرد و همچنین قیمت پایین درمقایسه باجاذب‌هاي غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژهاي برخوردار می‌باشند. مهم‌ترین مشخصه‌های کربن فعال که باعث کاربرد گسترده آن شده‌است عبارتند از:
- مساحت ویژه بالا
- ساختار منفذي
- ظرفیت جذب بالا
- قابلیت فعالسازي مجدد سطح
- توانایی بالای جداسازي بو، رنگ و مزه‌هاي غیردلخواه از پساب‌های خانگی و صنعتی
هر چند تعاریف متعددی برای کربن فعال در مراجع مختلف ارائه شده‌است اما به طور کلی می‌توان گفت کربن فعال یک شبکه پیچیده از لایه‌هاي نا منظم کربن است. با استفاده از الگوهاي اشعه‌ي ایکس مشخص می‌شود که کربن فعال غیر گرافیتی یا بی شکل است. این خاصیت کربن فعال، این مشخصه باعث می‌شود سطح ویژه این جاذب بسیار زیاد باشد. در حالت طبیعی، کربن فعال داراي سطحی غیرقطبی است اما هنگام تولید کربن فعال، بر همکنش سطح آن با اکسیژن نواحی کوچکی روي سطح ایجاد می‌کند که به مقدار خیلی کمی قطبی است.
این امر باعث آبگریزی کربن فعال می‌گردد و همین مشخصه باعث می‌شود بتوان از کربن فعال براي جذب گازها در حضور رطوبت استفاده کرد. کربن‌هاي فعال تجاري از مواد آلی غنی از کربن، زغال سنگ، چوب، پوست برخی دانه‌ها مثل فندق و بادام تهیه می‌گردد. با توجه به ماهیت فرآیند جذب مورد نظر براي استفاده‌هاي خاص و متفاوت، کربن فعال به سه صورت زیرطبقه‌بندی می‌شود:
- پودري
- گرانولی
- شکل‌دار
مراحل تولید کربن فعال
کربن فعال از پیرولیز مواد کربنی از قبیل چوب، زغال‌سنگ و هسته میوه‌ها یا پلیمرهاي مصنوعی از قبیل ریون، پلی اکریلونیتریل یا فنولیک حاصل می‌گردد و در مراحل بعدي تحت عملیات فعالسازي قرار می‌گیرد. پیرولیز موادکربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکول‌هاي غیرآلی می‌شود که یک ماده قیري شکل حاوي موادگازدار خواهد بود و در نهایت یک جسم جامد کربنی از آن ایجاد خواهدشد. جسم تولید شده داراي تعداد زیادي حفره‌هاي بزرگ و داراي سطح ویژهاي در حد چندین متر مربع برگرم خواهد بود.
مواد خام
از نظر اقتصادي، موادي با کربن بالا و مواد آلی کم براي تولید کربن فعال انتخاب می‌شوند، ماده تشکیل شده جامد حاصل از عملیات پیرولیز باید دارای دو مشخصه باشد: گازهاي فرار کافی باشند: آزاد سازي گازهاي فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذ در کربن می‌شود.
دانسیته بالا: دانسیته بالا باعث می‌شود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردارگردد.
موادخام مورد استفاده به ترتیب اهمیت آن‌ها از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهائی و مقدار مصرف عبارتند از:
- چوب
- زغال‌سنگ
- سیگمنت
- پوست نارگیل
کربونیزاسیون
در حین کربونیزاسیون اجزاء غیرکربنی از قبیل هیدروژن و اکسیژن به صورت گاز از مواد اولیه خارج می‌شوند وکربن‌هاي آزاد نیز به صورت گروهی، بلورهاي گرافیت تشکیل می‌دهند. به دلیل وجود منافذ در بین بلورها آرایش یافتگی بلورها از دو طرف به صورت نامنظم می‌باشد. این فرآیند معمولاً در دمای کم‌تر از 800 در یک محیط حاوي یک جریان ورودي از اتمسفر صورت می‌گیرد، پارامترهاي مهم تعیین کننده کیفیت محصول تولید شده عبارتند از:
- سرعت حرارت دهی
- دماي نهایی
- مدت زمان خیساندن
فعالسازی کربن
کربن‌ها را با توجه به آرایش یافتگی بلورهاي آن به صورت گرافیت یا غیرگرافیت تعریف کرده‌اند.کربن‌هاي گرافیتی داراي بلورهایی با سه بعد یکسان می‌باشند درصورتی که درکربن‌هاي غیرگرافیتی اینگونه نمی‌باشد. براساس توضیحات داده شده، در حین کربونیزاسیون سه فضاي خالی در کربن ایجاد می‌شود که در حین کربونیزاسیون به وسیله کربن‌هاي غیرآرایش یافته (آمورف) مسدود می‌شود. محصولات مرحله کربونیزاسیون داراي ظرفیت جذب خیلی کمی می‌باشند و احتمالاً این مسئله به دلیل کربونیزاسیون در دماي پائین و وجود ماده قیري باقیمانده در منافذ بین بلورها و روي سطح آن‌ها است.
بعضی از محصولات کربونیزه شده را می‌توان با خارج ساختن مواد قیري به وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالص سازي به کمک حلال و یا واکنش‌هاي شیمیایی فعال کرد. عمل فعال سازي باعث بزرگ شدن قطر حفره‌هایی می‌شود که در حین فرآیند کربونیزاسیون ایجاد شده‌اند و همچنین باعث ایجاد یک سري حفره ریز نیز خواهد شد و بدین گونه می‌توان به یک ساختار حفرهاي با مساحت سطح داخلی بالا دست پیدا کرد. فرآیند فعالسازي به دو روش انجام می‌شود:
- فعالسازی شیمیایی
- فعالسازی فیزیکی
در فرآیند فعالسازی فیزیکی به کمک محصولات کربونیزه شده، ابعاد و ساختار مولکولی منافذ گسترش می‌یابد و مساحت سطحی آن‌ها افزایش پیدا می‌کند. این عملیات در دمایی بین 800 تا 1000 با حضور مواد گازي اکسیدکننده مناسب مانند دي اکسیدکربن و هوا انجام می‌گیرد. براي تبدیل مواد کربونیزه شده به گاز به وسیله بخار و دي اکسیدکربن از واکنش‌هاي زیر استفاده می‌شود:
مولکول آب کوچکتر از مولکول دي اکسیدکربن است و در نتیجه سرعت نفوذ آن به داخل منافذ کربن بیشتر می‌باشد و سرعت واکنش با بخار بیشتر از سرعت واکنش با گاز دي اکسیدکربن خواهد بود.
با توجه به مطالب ذکر شده مشخص می‌شود کربن فعال به عنوان یک جاذب با ظرفیت جذب بالا و قیمت پائین، کاربردهای بسیار فراوانی را در فرآیندهای جذب از فاز مایع و یا فاز گاز در سال‌های اخیر یافته و از این جاذب در صنایع نفت و گاز، تصفیه پساب‌های صنعتی، صنایع غذایی و دارویی به طور گسترده استفاده می‌شود.