کربن فعال ( زغال فعال ) – کربن اکتیو یا کربن بلک :

اصطلاح زغال فعال شده نشان دهنده یک سری از مواد جذب کننده سطحی , با جنسی زغالی و شکل کریستالی می باشد که در ساختار داخلی آن روزنه های زیادی وجود دارد.

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 با وجود 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 گونه 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 جذب زغال فعال به اندازه ساختار منافذ کربن و توزیع اندازه منافذ و همچنین اندازه و شکل مولکولهای آلاینده بستگی دارد.

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.

پدیده جذب و ساختار درونی زغال فعال ، ساختار درونی کربن فعال :

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 خوارکی 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 بر اثر شکسته شدن پیوند C-C ایجاد شده است و سطح داخلی سوراخها برای موازنه انرژی مولکولهای ناخالصی را جذب می کند .

اصول و فنون گوناگونی در ساخت و تولید زغالهای فعال شده وجود دارد که به ۳ اصل بستگی دارد:
– نوع ماده اولیه
– مشخصات فیزیکی مورد نظر برای محصول (زغال فعال شده)
– مشخصات جذبی برای کاربردهای مختلف

شیوه های فعالسازی که بیشتر در تولیدات تجاری بکار میرود عبارتند از:
فعال سازی شیمیایی،فعال سازی توسط بخار

فعال سازی شیمیایی:
این شیوه بیشتر برای مواردی است که مواد اولیه آن چوب و یا زغال سنگ نارس(Peat) می باشد. مواد اولیه را با یک عامل آبگیر مانند اسید فسفریک P2O5 یا کلرید زنیک ZnCl2 آغشته می کنند تا ماده ای خمیری حاصل شود. این ماده را در بازه دمایی ۵۰۰ – ۸۰۰ درجه سانتیگراد حرارت میدهند تا کربن فعال شود.
زغال فعال شده حاصل را بعد از شستشو خشک و به پودر تبدیل می کنند.
زغال فعال شده بدست آمده توسط این روش , دارای منافذ باز زیادی است و برای جذب مولکول های بزرگ بسیار مناسبند.

فعال سازی توسط بخار:
این روش بیشتر برای موادهای اولیه ای چون چوب نیم سوخته, زغال سنگ و پوست نارگیل که زغالی شده اند به کار می رود. فعال سازی در بازه دمایی ۸۰۰ – ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد و در حضور بخار انجام می شود.
در آغاز مواد زغالی با بخار به گاز تبدیل می شوند که به واکنش water-gaz معروف است:

(C + H2o → CO + H2 – ۱۷۵٫۴۴۰ KJ/(KgMol

این واکنش گرماگیر است و گرمای مورد نیاز توسط سوختن ناقص CO و H2 بصورت زیر تامین می شود:

(۲CO + O2 → ۲CO2 + 393.790 KJ/(KgMol

(۲H2 + O2 → ۲H2O + 396.650 KJ/(KgMol

در ضمن هوا به مقدار مورد نیاز وارد واکنش می شود تا زغال نسوزد.
زغال های فعال شده ی تولید شده توسط این روش معمولا دارای منافذ ریزند و برای جذب مواد از مایعات و گازها مناسبند.

ویژگی های جذبی و فیزیکی                                                                       
گونه های مختلفی از زغال های فعال شده با ویژگی های مشخص وجود دارند که خصوصیات هر یک از آنها بستگی به مواد اولیه و فنون به کا ر رفته در تولید آنها بستگی دارد. در انتخاب یک گونه زغال فعال شده, برای بهبود بخشیدن به فرایندها, نیاز به شناخت دقیق ویژگی های فیزیکی و جذبی مواد داریم.

ویژگی های جذبی:
(۱  سطح: با استفاده از N2 حدود منافذ سطحی زغال فعال شده را اندازه می گیرند.هر چه سطح زغال فعال شده بیشتر باشد, قسمتهای جاذب نیز بیشترند.
۲) 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.

۳) تخلخل: یکی از راههای اندازه گیری میزان تخلخل در توده ای از زغال فعال شده , استفاده از میزان جذب CCl4 خالص در حالت گازی می باشد.

– ویژگیهای فیزیکی:
۱) سختی و مقاومت در برابر حرارت و فشار : زغال های فعال شده دارای سختی های متفاوتی هستند که مربوط به مواد اولیه و شیوه تهیه آنها می باشد. بنا به درجه سختی, هر یک از آنها کاربردهای متفاوتی دارند.
۲) چگالی
۳) اندازه ذرات: هر چقدرکه اندازه ذرات زغال فعال شده کوچکتر باشد, سرعت جذب بیشتر است.

*** زغال فعال شده را به سه شکل دانه ای , پودر و استوانه ای میسازند .***

زغال فعال شده چگونه کار می کند؟
زغال فعال شده مواد اورگانیک را از محیط اطرافش جذب می کند , که عمل انتقال آلاینده از فاز مایع ( آب) به فاز جامد ( کربن) صورت می گیرد. نیروی جاذبه ای باعث تشکیل یک پیوند بین آلاینده و کربن و چسبیدن آنها به هم می شود.
علاوه بر این باکتری هایی به سطح خارجی زغال فعال شده می چسبند و بخشی از آلاینده ها را جذب و مصرف می کنند.
جذب منجر به پخش یک گاز یا ترکیب در شبکه متخلخل زغال فعال شده می گردد , جایی که یک واکنش شیمیایی یا یک ثبات فیزیکی روی می دهد. به عنوان مثال ازن  O3در قسمتی که جذب می شود , قسمتی از زغال فعال شده را اکسید میکند, و ۳O  به O2 تبدیل می شود و ازن در ساختار کربن اندوخته و گردآوری نمی شود.
جذب در زغال فعال شده دارای ۳ مرحله است:
۱_ تماس ذرات آلاینده محلول در مایع ( آب) با ذرات زغال فعال شده
۲_  پخش شدن ذرات آلاینده در شبکه متخلخل زغال فعال شده
۳_ جذب ذرات آلاینده به زغال فعال شده و بوجود آمدن یک پبوند برگشت ناپذیر
 ***این ۳ مرحله همزمان رخ می دهند***

بازیافت زغال فعال شده
به مرور زمان و استفاده از زغال فعال شده , سطح آن از مواد آلاینده اشباع می شود. زغال فعال شده یک محصول گران است و در عین حال میتواند در چرخه بازیافت قرار گیرد و مجددا مورد استفاده قرار گیرد. بازیافت زغال فعال شده , هزینه کمی نسبت به تولید اولیه دارد و دارای قیمت ارزانتری نیز می باشد.

کاربرد و خصوصیات کربن اکتیو ( زغال فعال)

خصوصیات کربن اکتیو

با توجه به تنوع مواد اولیه و روش های تولید گوناگون ، کربن اکتیو های مختلفی تهیه می شود که برای انتخاب صحیح ، توجه به خصوصیات آن مهم می باشد. از آنجائیکه کنترل کیفی محصول بسیار حائز اهمیت است ،
سطح مخصوص : با استفاده از معادله Brunauer – Emmet – Teller و نیز بهره گیری از گاز نیتروژن ، مساحت حفره ها در شبکه کربن فعال ( carbon active )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 از۸۰۰ – ۲۵۰۰ m2/gr می باشند.

تخلخل : هرچقدر منافذ کربن اکتیو (activated carbon) 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 ۲۰ A˚ ) منافذ متوسط ( قطر منافذ ۲۰-۵۰ A˚ ) و منافذ درشت( قطر منافذ بزرگتر از ۵۰ A˚ ) می باشد . کربن اکتیو با منافذ ریز برای فاز گازی و با منافذ متوسط و درشت برای فاز مایع بکار می رود.منافذ درشت بعنوان ورودی ،منافظ متوسط بعنوان مجاری انتقال و منافذ ریز بعنوان محل جذب عمل می کنند.
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 کربن فعال میزان PH آن می باشد. PH در پدیده جذب و نگهداری مواد جذب شده موثر می باشد.

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.

Iodine Number  : عدد یدی بیانگر میزان تخلخل کربن فعال می باشد که بوسیله جذب ید از محلول حاوی آن اندازه گیری می شود، و بصورت میلی گرم عنصر ید جذب شده به ازاء هر گرم از کربن فعال بیان می شود. با توجه به اندازه مولکول های ید می توان دریافت که ، هر چه عدد یدی بالاتر باشد فعالیت کربن فعال بویژه در جذب مواد با وزن مولکول کمتر و با قطر کمتر از ۲۰ آنگستروم بیشتر می باشد.

البته برای انتخاب کربن اکتیو ، فاکتورهای دیگری مانند توانائی جذب انتخابی ،عدد یدی، رطوبت و … مهم است.

کاربرد و خصوصیات کربن اکتیو زغال فعال

کربن اکتیو دارای کاربردهای زیادی است, از جمله مصارف آن:

– تصفیه آبها ( آب شرب, آب آکواریومها, آبهای صنعتی), از نظر رنگ و بو و طعم

– رنگزدایی از قند و شکر

– بازیافت طلا

– بهسازی رنگ و طعم در نوشیدنی ها و آب میوه ها

– استفاده در دستگاههایی مثل: تصفیه کننده های هوا, خوشبو کننده ها, تصفیه کننده های صنعتی و … تولید زغال فعال شده

– تولید دارو  و مواد آرایشی بهداشتی

 جذب سطحی توسط کربن فعال

جذب سطحی فرایندی است که مولکول های مایع یا گاز روی سطح جامد تغلیظ و متمرکز می شوند. این نوع جذب متفاوت است از حالتی که مولکولی از مایع یا گاز جدا می شوند.

کربن فعال از چی ساخته شده؟

کربن فعال می تواند از بسیاری از مواد آلی دارای محتوای کربن زیاد مانند ذغال سنگ، پوسته نارگیل، پوست گردو ، پوست پسته و چوب ساخته شده باشد. مواد اولیه کربن تأثیر بسیار زیادی بر ویژگی ها و عملکرد آن دارد.

انواع کربن فعال

سه نوع اصلی وجود دارد.

کربن فعال گرانول شده ( GAC)

ذرات نامنظم شکل با اندازه های بین ۰٫۲ تا ۵ میلیمتر. این نوع کربن در جذب سطحی هر دو فاز مایع و گاز استفاده می شود. به علاوه در جذب مواد فرار و بخار کاربرد دارد. زیرا دارای  سرعت نفوذ پذیری بالایی بوده  و معمولا به صورت بستر ثابت استفاده می شود.

کربن فعال پودری (PAC )

پودر کربن با ابعاد عمدتا کمتر از ۰٫۱۸ میلیمتر به طور عمده در فاز مایع و برخی از موارد برای تصفیه گاز دودکش ها استفاده می شود. برخی از مصارف دیگر این نوع از کربن ها در صنعت جهت رنگ بری از محلول ها کاربرد دارد.

کربن فعال میله ای (EAC) :

کربن میله ای  و استوانه ای شکل با قطر ۰٫۸ تا ۵ میلی متر است. این نوع از کربن به علت افت فشار پایین، مقاومت مکانیکی بالا و گرد و غبار کم به طور عمده برای فاز گاز کاربرد دارد.

کربن فعال زغال چوب (ACC)

در فرم های خاص مانند پارچه و الیاف نیز وجود دارد.

فرایند جذب سطحی چیست؟

به تجمع مولکول ها روی سطح کربن، جذب سطحی گفته می شود.

چه عاملی باعث جذب مولکول ها روی سطح کربن فعال می شود؟

جذب سطحی به دلیل نیروی پراکندگی لاندن که نوعی نیروی واندروالسی است که بین مولکول ها وجود دارد،به وجود می آید. این نیرو مشابه نیروی جاذبه بین سیاره ها عمل می‌کند. نیروی پراکندگی لاندن بسیار کوتاه هستند و به فاصله بین سطح کربن فعال و مولکول های جذب شونده حساس هستند. این نیرو همچنین دارای ماهیت افزایشی است، به این معنی که نیروی جذب، حاصل مجموع تعاملات بین تمام اتم ها است. دامنه کوتاه و ماهیت افزایشی این نیروها باعث می شود که کربن فعال دارای قوی ترین نیروی جذب فیزیکی در بین تمامی مواد شناخته شده برای بشر باشد.

جذب فاز گاز – این حالت شامل یک فرایند تراکم است که در آن نیروی جذب، مولکول ها را از حالت توده ای به درون منافذ کربن متراکم می کند. نیروی محرکه برای جذب، نسبت فشار نسبی به فشار بخار ترکیبی است.

جذب فاز مایع – مولکول ها از حالت توده ای به جذب در منافذ در حالت نیمه مایع می روند. نیروی محرک برای جذب، نسبت غلظت به انحلال پذیری ترکیب است.

جذب کربن فعال

چه ترکیباتی جذب کربن فعال (زغال فعال) می شوند؟

می توان گفت در فرایند جذب توسط کربن فعال تمامی ترکیبات تا حدودی قابل جذب هستند. در عمل، برای جذب ترکیبات اصلی ارگانیک همراه با ترکیبات معدنی بزرگ تر مانند ید و جیوه مورد استفاده قرار می گیرد. به طور کلی، جاذب بودن یک ترکیب با شرایط زیر افزایش می یابد:

• افزایش وزن مولکولی
• وجود تعداد بیشتری از گروه های کاربردی مانند وجود ترکیبات هالوژن
• افزایش توانایی قطبی بودن مولکول. این مساله مربوط به ابرهای الکترون در داخل مولکول است.

حذف آلاینده  پس آب ها  توسط کربن فعال

حذف سرب توسط کربن فعال:

جذب سطحی مواد سمی و خطرناک سرب در آزمایش های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. انتشار بالای سرب در جهان امروزی به جهت استفاده آن در تولید بنزین، حذف این ماده  خطر ناک نیز از بافت خاک ، هوا و آب مورد توجه زیادی از مسئولین و محققین قرار گرفته که می توان جهت حذف این ماده سمی از کربن فعال استفاده نمود.

حذف آمونیاک توسط کربن فعال :

جداساز ی آمونیاک به روش جذب سطحی یکی از بهترین روش هاست. به علت ارزان تر بودن به نظر می رسد جذب به وسیله کربن فعال موفقیت آمیز تر از سایر جاذب ها باشد.جهت افزایش راندمان و بهره بری از کربن گرانولی توصیه می شود شرایط پس آب خروجی به صورت زیر باشد.

• دما : ۲۰ سانتی گراد
• Ph : 805
• زمان تماس : ۵ ساعت حداقل
• ابعاد کربن فعال : حداکثر ۹۰۰ میکرومتر
• بهترین عملکرد در سایز : ۲۰۰ تا ۲۵۰ میکرو متر

جذب  فلزات سنگین توسط کربن فعال ( نیکل)

امروزه فلزات سنگین، به عنوان آلاینده هاي اولویت دار زیست محیطی مطرح بوده و در حال تبدیل شدن به یکی از جدي ترین مشکلات زیست محیطی می باشند. بنابراین، به منظور محافظت از مردم و محیط زیست، این فلزات سنگین بایدحذف گردند. نیکل یکی از این فلزات سنگین بوده که مقادیر بالاي این فلز تا حدودي میتواند سمی باشد. روش هاي متعددي براي حذف یون هاي فلزات سنگین، مورد استفاده قرار می گیرند .یکی از این روشها ،روش جذب سطحی با استفاده از کربن فعال می باشد. افزایش دما بر میزان جذب نیکل توسط کربن فعال می افزاید.

حذف نیترات توسط کربن فعال

حضورنيترات درآبهاي زيرزميني دردهه هاي گذشته،نگراني هاي زيادي براي متوليان امر به وجودآورده است.ازميان روش هاي مختلف حذف نيترات،استفاده از روش جذب به علت بازدهي بالاي آن وهمچنين ملاحظات اقتصادي موردتوجه قرارگرفته است. .حداکثرميزان حذف نيترات براي کربن به دست آمده از سبوس برنج ۹۳٫۵ میلی گرم بر گرم بوده وبراي لجن حاصل ازصنايع کاغذسازي،کربن فعال تجاري و زغال معمولي  به ترتیب ۹٫۵ ، ۶۸٫۷ و ۴۲٫۱  میلی گرم نیترات بر گرم جاذب می باشد.