کربن فعال چیست؛ بررسی کامل روش های تولید، فعال سازی، انواع کربن فعال شده و کاربردهای آن

کربن فعال یا Activated carbon (همچنین به عنوان زغال اکتیو نیز شناخته می شود)، یک ماده کربن دار سنتزی (غنی از کربن) است. این ماده معمولاً از چوب تهیه می شود، اما می توان با استفاده از بامبو، پوسته نارگیل، ذغال سنگ نارس، چوب، زغال سنگ، پوسته زمین و سایر منابع کربن متراکم نیز آن را به دست آورد. انواع مختلفی از مواد مشابه وجود دارد که در فهرست طبقه بندی کلی کربن فعال قرار می گیرند، مانند زغال سنگ فعال و کک فعال، اما همه آنها دارای خواص مفیدی از جمله، سطح وسیع در هر واحد جرمی، تخلخل ریز، و ترکیب منحصراً کربن عنصری هستند.

ساختار منافذ کربن فعال را می توان با میکروسکوپ الکترونی مشاهده کرد. میکروسکوپ‌ها سطحی را نشان می‌دهند که حفره‌های لانه زنبوری و برآمدگی‌هایی دارد که به ساختار مشابهی در عمق کربن می‌پیوندند. با توجه به این ساختار، به طور مثال، یک پوند کربن فعال می تواند تا ۱۰۰ هکتار سطح را در خود داشته باشد. این منافذ کوچک و کم حجم، امکان افزایش ظرفیت جذب سطحی (فرایند پیوند سطحی شیمیایی) را فراهم می کند و اجازه می دهد تا واکنش های بیشتری بین کربن و سایر محیط ها انجام شود.

بنابراین کربن فعال در عملیاتی از جمله فیلتر کردن، بو زدایی، کاربردهای پزشکی و شیمیایی بسیار ارزشمند است، زیرا اکثر آلاینده‌ها به راحتی به آن متصل می‌شوند و از طریق جاذبه‌ های اتمی وابسته به فاصله کوچک (معروف به نیروهای پراکندگی لندن) در ریزساختار کربن به دام می‌افتند.

از آنجایی که کربن از طریق یک سری فرآیندهای فعال سازی نسبتاً ارزان و ساده تولید می شود، به طور گسترده برای کاربردها در دسترس است. با این حال، کربن فعال باید دائماً تیمار شود، زیرا با آلاینده‌ ها، مسدود می‌شود و پس از یک زمان تماس معین، به بستری برای رشد میکروارگانیسم‌های خطرناک تبدیل خواهد شد. این بدان معنی است که کربن فعال به طور مداوم برای پاسخگویی به نیازهای صنعتی و نیمه صنعتی، تولید می شود و بسیار پرفروش است.

روش تولید کربن فعال

فرآیند تولید کربن فعال یا فعال سازی کربن به دو صورت وجود دارد. یک منبع کربنی مانند چوب، زغال سنگ، ذغال سنگ نارس یا هر ماده کربن آلی، کربونیزه می شود، در این فرآیند، کربن خالص با روش گرمایشی به نام پیرولیز، استخراج می شود. هنگامی که ماده، کربونیزه شد، مواد باید با قرار گرفتن در معرض کربن دی اکسید، یا بخار، یا از طریق یک عملیات شیمیایی اسید-باز، اکسید شود یا با اکسیژن تصفیه شود. بخش های زیر به طور خلاصه به جزئیات این فرآیندها می پردازند.

۱-فرآیند کربونیزاسیون برای تولید کربن فعال

کربونیزاسیون فرآیندی است که یک قطعه غنی از کربن از طریق حرارت دادن به کربن خالص تبدیل می شود. این فرآیند گرمایش که پیرولیز نامیده می‌شود، از یک تکنیک باستانی برای ساخت زغال چوب برگفته شده است. در ابتدا از مواد کربنی بسیار متراکم استفاده می شود، زیرا برای تولید کربن فعال، ماده حاصل باید متخلخل باشد.

در این روش، مواد غنی از کربن را در یک کوره کوچک (نسبت به مقدار مواد) قرار می دهند تا در دماهای شدید بالای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد پخته شود. آنچه باقی می ماند معمولاً ۲۰-۳۰ درصد وزن اولیه است و عمدتاً از کربن با درصد کمی خاکستر معدنی تشکیل شده است. این ماده، بسیار شبیه به “تولید کُک” است.

هنگامی که شکل متخلخل کربن تولید شد، باید تحت اکسیداسیون قرار گیرد تا بتواند جاذب یا “فعال شود”. این فعال سازی می تواند به یکی از دو روش رخ دهد: با استفاده از گاز یا روش تصفیه شیمیایی.

• فعال سازی کربن به روش تصفیه با گاز

فعال‌سازی کربن می‌تواند مستقیماً از طریق گرم کردن کربن در یک محفظه در حالی که گاز به داخل پمپ می‌شود، انجام شود. این محیط، آن را برای اهداف اکسیداسیون در معرض اکسیژن قرار می دهد. پس از اکسید شدن، کربن فعال، ویژگی های جذب خوبی را به دست می آورد و آماده جمع آوری آلاینده ها در کاربردهای مایع/گاز است.

برای تصفیه گاز به روش فیزیکی، فرآیند کربن‌سازی/تجزیه گاز باید در یک محیط بی‌اثر در دمای ۶۰۰-۹۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام شود. سپس یک گاز اکسیژن دار به محیط پمپ می شود و بین ۹۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد گرم می شود و باعث می گردد که اکسیژن به سطح کربن متصل شود.

• فعال سازی کربن به روش تصفیه شیمیایی

فرآیند تصفیه شیمیایی، با فعال سازی کربن از طریق یک گاز، کمی متفاوت است. اول، کربونیزاسیون و فعال سازی شیمیایی به طور همزمان در تصفیه شیمیایی رخ می دهد. حمامی از اسید، باز یا سایر مواد شیمیایی تهیه می شود و مواد در این محلول غوطه ور می شوند. سپس حمام تا دمای ۴۵۰-۹۰۰ درجه سانتیگراد (بسیار کمتر از گرمای مورد نیاز برای فعال شدن گاز) گرم می شود و برای مدت زمان مشخصی باقی می ماند. مواد کربن دار، همزمان، هم کربن دار و هم فعال می شوند، همگی با سرعت بسیار بیشتری نسبت به فعال شدن با روش گاز. با این حال، برخی از فرآیندهای گرمایش باعث می شوند عناصر کمیاب از حمام به سمت کربن جذب شوند، که می تواند منجر به کربن فعال ناخالص تر یا بی اثرتر شود.

۲- بازسازی کربن فعال

کربن فعال که ذرات بسیاری را جذب کرده است، می توان از طریق روش های بازسازی به ظرفیت جذب اولیه خود بازگرداند. روش‌های متعددی برای احیای کربن وجود دارد، اما رایج‌ترین روش، فعال‌سازی مجدد با روش حرارتی است که در آن، کربن آلوده، خشک می‌شود، در یک اتمسفر بی‌اثر گرم شده و با گاز تصفیه می‌شود.

حدود ۵-۱۵٪ از وزن اصلی کربن در بازسازی حرارتی از بین می رود و این فرآیند، انرژی زیادی مصرف می کند. بنابراین، شرکت‌های کوچک‌تر معمولاً کربن مصرف‌شده خود را به‌جای انجام بازسازی در محل، به تأسیسات بازسازی تخصصی می‌فرستند. تکنیک‌های بازسازی متعدد دیگری وجود دارند که هدفشان کاهش اتلاف بازده و مصرف انرژی در بازسازی حرارتی است.

این روش ها شامل جذب نوسان حرارتی، جذب نوسان فشار، بازسازی مایکروویو، بازسازی شیمیایی، بازسازی میکروبی، بازسازی الکتروشیمیایی، بازسازی اولتراسونیک، اکسیداسیون هوای مرطوب و تکنیک های دیگر است.

۳-کربن فعال پس از تیمار

پس از اکسیداسیون، کربن فعال را می توان برای انواع مختلفی از کاربردها با چندین ویژگی مختلف طبقه بندی کرد. به عنوان مثال، کربن فعال دانه ای (GAC)، یک محصول ماسه مانند با دانه های بزرگتر از کربن فعال پودری (PAC) است و هر کدام برای کاربردهای متفاوتی استفاده می شود. انواع دیگر شامل کربن آغشته است که عناصر مختلفی مانند نقره و ید و کربن های پوشش داده شده با پلیمر به آن اضافه شده است.

در قسمت بعدی، یک مرور مختصر از انواع مختلف کربن فعال و ویژگی های مفید آنها را بررسی کرده ایم.

بیشتر بخوانید: هزینه نوشتن مقاله مروری چقدر است؟

طبقه بندی انواع کربن فعال

۱-زغال چوب فعال

“زغال چوب فعال”، واژه ای مترادف با “کربن فعال” است و می تواند به جای هم استفاده شود. توجه به این نکته مهم است که فقط اصطلاح “زغال” از کربن منحصر به فرد است، زیرا زغال، به مواد کربنی مشتق شده از پختن چوب و مواد آلی که هنوز حاوی هیدروژن، اکسیژن و سایر عناصر غیر کربنی هستند، اشاره می کند؛ در حالی که ماده کربن، به کربن عنصری و خالص اشاره می کند.

۲-کربن فعال پودری (PAC)

کربن فعال پودری (یا PAC)، ماده ای پودری است، بنابراین اندازه دانه‌ های منفرد، کمتر از ۱.۰ میلی‌متر است و نسبت سطح به حجم آن‌ها به حداکثر و فاصله انتشار به حداقل می‌رسد. PAC، یک ماده ظریف است که از اکثر غربال های مشبک عبور می کند. جریان عبوری از PAC به طور قابل‌توجهی کمتر از کربن فعال دانه‌بندی شده، باعث می‌شود آن را در ورودی‌های جریان آب خام، حوضچه‌های مخلوط سریع، زلال‌کننده‌ها، فیلترهای گرانشی و سایر کاربردها مفیدتر باشد؛ همان جایی که حداکثر جذب آلاینده‌ها جایگزین ویژگی‌های جریان می‌شود.

۳-کربن فعال گرانولی (GAC)

کربن فعال گرانولی (یا GAC) دارای اندازه ذرات بزرگتر از PAC است و بنابراین خواص انتشار را افزایش می دهد. گازها و بخارات، با سهولت بیشتری در کربن فعال دانه ای جذب می شوند، زیرا فضای بیشتری بین ذرات کربن دانه بندی شده برای عبور گاز وجود دارد. با این حال، سطح داخلی کمتری نیز در GAC وجود دارد که منجر به ایجاد تعادل لازم بین اندازه دانه و ظرفیت جذب می‌شود. GAC معمولاً برای تصفیه آب مایع، بوزدایی و جداسازی اجزا در سیستم‌های جریان مایع استفاده می‌شود.

۴-کربن فعال اکسترود شده (EAC)

PAC با یک بایندر با همدیگر ذوب می شود و در بلوک های استوانه ای شکل به قطر ۰.۸ میلی متر تا ۱۳۰ میلی متر اکسترود می شود، و کربن فعال اکسترود شده (EAC) را تشکیل می دهد. مزیت EAC، افت فشار کم، محتوای گرد و غبار و استحکام مکانیکی بالا و همچنین شکل دانه های استاندارد آن است. EAC در کاربردهای فاز گاز و مکان هایی که ورود گرد و غبار، ممنوع است، و همچنین در فیلترهای کلر، طعم، بو (CTO) استفاده می شود.

۵-کربن فعال مهره ای (BAC)

مانند EAC، کربن فعال مهره ای (BAC) به دانه های کروی ۰.۳۵-۰.۸ میلی متری، بدون گرد و غبار مذاب تبدیل می شود. BAC همچنین دارای افت فشار کم، محتوای گرد و غبار کم و استحکام مکانیکی بالا است؛ درست مانند EAC، اما در اندازه دانه‌های کمی کوچکتر و استفاده آن در کاربردهای بستر سیال که آب می‌تواند راحت ‌تر در اطراف شکل کروی خود جریان یابد، متفاوت است. انتخاب بین EAC و BAC معمولاً با نوع و شدت جریان مشخص می‌شود، جایی که BAC برای سیستم‌های مایع با جریان و سایش زیاد، مناسب ‌تر است.

۶-کربن پوشش داده شده با پلیمر

هنگامی که کربن متخلخل با یک پلیمر زیست سازگار پوشش داده می شود، به کربن پوشش داده شده با پلیمر تبدیل می شود. این نوع کربن فعال دارای منافذ بیرونی و باز، صاف و قابل نفوذ و در دسترس است که آن را برای کاربردهای پزشکی مناسب ساخته است. به طور مثال، در روش همپرفیوژن، خون از روی کربن پوشش داده شده پلیمری عبور داده می شود تا سموم ناخواسته را حذف کند. این پلیمر می تواند مانع از بین رفتن عناصر تشکیل شده در جریان خون و تشکیل لخته های ناخواسته (آمبولی) شود، در حالی که منافذ آن هنوز می تواند مواد سمی را فیلتر کند.

۷-کربن آغشته شده

کربن آغشته، همانطور که از نامش پیداست، کربن فعال متخلخلی است که با مواد معدنی (معروف به مواد اشباع) مانند نقره، کاتیون‌ها (Al، منگنز، روی، لی، کلسیم، و غیره)، ید و سایر کاربردها آغشته شده است. ترکیبات خاص کربن آغشته شده معمولاً برای افزایش ظرفیت فیلتراسیون کربن استفاده می شود و به آن اجازه می دهد سایر آلاینده ها مانند آلودگی هوا، سموم معدنی، تیول ها و غیره را جذب کند. نمونه ای از کربن آغشته شده در عمل، کربن آغشته به نقره است که در فیلترهای آب خانگی استفاده می شود. کاربرد دیگر، کربن آغشته شده در اسکرابرهای حذف آلودگی روی اگزوزهای دودکش کارخانه ها است.

مهم ترین کاربردهای کربن فعال

کربن فعال علاوه بر استفاده به عنوان فیلتر، برای کاربردهای مختلف دیگری نیز استفاده می شود. می تواند حلال ها و مواد با ارزش را از سیالات مختلف بازیابی کند، بوها را حذف کند و طعم گازها و مایعات را تغییر دهد. این ماده همچنین کاربردهای پزشکی دارد و می تواند به درمان بیمارانی که سم خورده اند یا مواد مخدر مصرف کرده اند کمک کند. کربن فعال همچنین در پاکسازی برخی نشت‌های خطرناک کاربرد دارد. بخش‌های زیر به بررسی این کاربردهای مختلف کربن فعال در صنایع مختلف می‌پردازد.

۱-کاربرد کربن فعال در فیلتراسیون

در میان انواع کاربردها، کربن فعال اغلب برای فیلتر کردن آلاینده ها از آب آشامیدنی استفاده می شود. پس از آزمایش آب، فیلتراسیون را می توان برای حذف آلاینده های خاص دستکاری کرد تا آب بتواند استانداردهای آب آشامیدنی ملی EPA را به دست بیاورد.

به طور خاص، فیلترهای کربن فعال برای حذف ترکیبات آلی مفید هستند که اغلب باعث تغییر در طعم، بو و ظاهر آب می شوند. از آنجایی که ترکیبات آلی از هیدروژن و کربن تشکیل شده اند، فیلترهای کربنی با این نوع آلاینده ها به خوبی کار می کنند. فیلتراسیون می تواند مواد شیمیایی مضر مانند تری هالومتان ها (THMs)، آفت کش ها، بی فنیل های پلی کلره (PCB) و هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای (PAHs) را حذف کند. اگر این مواد شیمیایی در مقادیر بالاتر از استانداردهای EPA وجود داشته باشند، نوشیدن آب به طور بالقوه خطرناک است.

اگرچه فیلتر حاوی کربن فعال، توانایی حذف چندین نوع مواد شیمیایی مضر را دارد، اما در حذف همه آلاینده ها موثر نیست. فلزات سنگین مانند سرب را می توان با استفاده از فیلتر کربن فعال حذف کرد، اما به نوع خاصی از فیلتر نیاز دارد. میکروب‌ها، نیترات‌ها و فلوراید، نمونه‌هایی از آلاینده‌ها هستند که با استفاده از کربن فعال نمی‌توان آن‌ها را به طور موثر فیلتر کرد.

بسیاری از ترکیبات آلی که فیلتر کربن فعال می تواند آنها را حذف کند، رشد باکتری ها را تقویت می کند. باکتری‌های مضر بیماری‌زا، مانند وبا و حصبه، باکتری‌هایی را که فیلتر پاک می‌کند، از این مواد تغذیه می‌کنند. در سیستم های عمومی تصفیه، آب برای حذف باکتری های عامل بیماری، تصفیه می شود، بنابراین آبی که وارد خانه ها می شود یا به عنوان آب آشامیدنی عمومی استفاده می شود، بعید است که حاوی چنین باکتری هایی باشد.

با این حال، معمولاً تعداد زیادی از باکتری‌های غیر بیماری‌زا در داخل فیلتر کربن فعال تجمع می‌کنند. اگرچه این نوع باکتری ها به طور مستقیم باعث بیماری نمی شوند، بهتر است فیلتر را به طور منظم عوض کنید یا تمیز کنید.

قرار گرفتن در معرض باکتری ها به این معنی است که سیستم ایمنی بدن انسان برای محافظت در برابر باکتری های اساسی به خوبی مجهز است، اما کسانی که سیستم ایمنی ضعیف تری دارند بیشتر مستعد ابتلا به عامل بیماری زا هستند – در هر صورت، تمیز کردن منظم فیلتر برای حفظ یک سیستم کربن فعال موثر مهم است.

۲-کاربردهای صنعتی و شیمیایی کربن فعال

کربن فعال در کاربردهای صنعتی برای حذف ناخالصی های آلی از محلول های درخشان نیکل آبکاری و همچنین برای تصفیه و استخراج فلزات گرانبها مانند طلا استفاده می شود. هنگام آبکاری، اپراتورها انواع مختلفی از مواد آلی را به محلول های آبکاری اضافه می کنند تا خواص فلزی خاص را بهبود بخشند، اما این ترکیبات در صورت قرار گرفتن در معرض جریان الکتریکی می توانند به محصولات جانبی ناخواسته تجزیه شوند. کربن فعال برای حذف این ناخالصی ها و بازگرداندن محلول های آبکاری به کارایی بهینه خود اضافه می شود.

در شیمی تجزیه، کربن فعال برای اندازه گیری سطوح خاصی از ترکیبات در محلول ها و همچنین استخراج محیط های خاص از بسترها استفاده می شود. همچنین برای فیلتر کردن و خالص‌سازی نمونه‌های شیمیایی خاص، چه به صورت کربن فعال معمولی و چه به عنوان کربن آغشته شده برای آلاینده‌های خاص، استفاده می‌شود.

۳-کاربردهای پزشکی کربن فعال

همانطور که قبلاً گفته شد، کربن پوشش داده شده با پلیمر، در همپرفیوژن برای پاکسازی خون از مواد سمی ناخواسته استفاده می شود. با این حال، کربن فعال را می توان به شکل قرص نیز برای درمان مسمومیت و مصرف بیش از حد مصرف کرد. زغال فعال همچنین یک داروی OTC برای ناراحتی های گوارشی و اسهال است، اگرچه شواهد علمی کمی برای نشان دادن اثربخشی آن در این نقش وجود دارد.

فهرست داروهای ضروری سازمان جهانی بهداشت، زغال فعال را یکی از ایمن‌ترین و مؤثرترین داروهای مورد نیاز در یک سیستم بهداشتی می‌داند و در نتیجه بخشی ضروری از درمان های سرپایی، کیت‌های دارویی سیار و موارد دیگر است.

۴-کاربردهای زیست محیطی و کشاورزی

کربن فعال (کربن آغشته به مواد ویژه) برای حذف آلاینده‌های هوا و آب، مانند آلاینده‌های موجود در نشت‌های شیمیایی، آب‌ های زیرزمینی، آب آشامیدنی، هوا، کارخانه‌های ترکیبات آلی فرار (VOC) و سایر منابع آلودگی استفاده می‌شود. از کربن فعال برای اندازه گیری غلظت رادون در هوا نیز استفاده می شود.

کربن آغشته شده با گوگرد و یا ید به طور گسترده در نیروگاه های زغال سنگ، زباله سوزهای پزشکی و چاه های متان برای به دام انداختن انتشار جیوه استفاده می شود (اگرچه، کربن آغشته به جیوه، خود، مشکل دفع را ایجاد می کند). در محیط های کشاورزی، زغال فعال یک آفت کش، یک افزودنی خوراک دام، یک کمک فرآوری، یک ضد عفونی کننده و یک کود است.

بیشتر بخوانید: اصول نگارش مقاله انگلیسی شیمی

سخن پایانی

در این مقاله به طور خلاصه به بررسی این موضوع پرداختیم که کربن فعال چیست، چگونه ساخته می شود و چه کاربردهایی در صنعت دارد. امیدواریم این مقاله به همه علاقه مندان و دانشجویان کمک کند تا اهمیت حیاتی کربن فعال در زندگی مدرن را درک کنند؛ و بدانند چگونه چنین ماده ساده‌ای می‌تواند هوا، آب و مواد مصرفی تمیزتری را ایجاد نماید.