کربن فعال یا کربن اکتیو چیست؟
کربن فعال یا کربن اکتیو یکی از پرکاربرد ترین مواد شیمیایی در صنایع مختلف از جمله تصفیه آب است. کربن فعال خواص بسیار منحصر به فردی دارد و همین موضوع باعث تبدیل شدن آن به یک ماده پرکاربرد در صنعت تصفیه آب شده است.
از ویژگی های اعجاب آور کربن اکتیو می توان به خاصیت جذب سطحی بالای آن اشاره کرد که، باعث جذب آلاینده های زیادی می شود. مقدار کمی از این ماده می تواند مساحت سطحی به اندازه مساحت زمین فوتبال را ایجاد کند، تصور کنید این مساحت چه خاصیت جذب فوق العاده بالایی به کربن فعال می دهد.
کربن اکتیو با این ویژگی قادر به جذب آلاینده های آب شامل بو، رنگ و طعم نامطلوب و هم چنین برخی از فلزات سنگین، کلر و ... می باشد. از این گذشته کربن فعال علاوه بر تصفیه آب در بسیاری از دیگر صنایع نیز کاربرد دارد که، می توان به صنعت نفت و پتروشیمی و استخراج فلزات گران بها اشاره کرد.
بنابراین برای آشنایی بیش تر با خواص، انواع، کاربردها و نحوه عملکرد این ماده شیمیایی منحصر به فرد در تصفیه آب در ادامه مقاله با ما همراه باشید. برای آشنایی دیگر ویژگی، کاربردها و ... کربن اکتیو نیز مطالعه مقاله راهنمای کامل آشنایی با کربن اکتیو به شما پیشنهاد می شود.
تعریف کربن فعال
کربن فعال گروهی از مواد کربنی با سطح داخلی بالا و ساختاری دارای منافذ گفته می شود. این ماده به دلیل مساحت سطحی قابل توجه، ساختار پوکی و منفذی، ظرفیت جذب بالا، قابلیت فعال سازی مجدد سطح و قیمت بسیار مناسب به یکی از مواد شیمیایی منحصر به فرد در صنایع مختلف شامل تصفیه آب تبدیل شده است.
در ابتدای متن در رابطه با مساحت سطحی کربن فعال مثالی را زدیم که به روشن شدن بهتر ویژگی های این ماده فوق العاده پرکاربرد کمک می کند. اکنون اگر بدانید که سطحی خارجی تنها یک گرم کربن اکتیو حدود 3000 متر مربع سطح تماس ایجاد می کند، آیا مثال عینی قبل برای خاصیت فوق العاده جذب بالای کربن فعال برای شما ملموس تر نمی شود.
کربن فعال از فرایند پیرولیز مواد کربنی شامل چوب، زغال سنگ، هسته یا پوسته میوه های مانند نارگیل و پسته تولید می شود. در مراحل بعدی تولید کربن فعال بر روی آن عملیات فعال سازی انجام می شود. پیرولیز مواد کربنی در عدم حضور هوا، باعث تخریب مولکول های غیر آلی می شود که در نهایت ماده پودری کربنی از آن ایجاد می شود.
ماده تولید شده به این روش دارای سطح ویژه و تخلخل بالایی است. برای فعال سازی کربن اکتیو روش های زیر می تواند بسته به نوع ماده اولیه، مشخصات فیزیکی زغال فعال شده و مشخصات جذبی آن برای کاربردهای مختلف بعد از فرایند پیرولیز انجام شود:
1- فعال سازی فیزیکی
در فرایند فعال سازی کربن اکتیو، ساختاری متخلخل با سطح آزاد زیاد در ماده خام ایجاد می شود. در روش فعال سازی فیزیکی ابتدا ماده خام، بدون حضور هوا کربنیزه می شود. در این شرایط، ترکیبات سلولزی و پلیمری موجود در ماده خام به زغال تبدیل می شوند و مواد خام مانند زغال سنگ، همه ترکیبات فرار خود را از دست می دهند.
سپس پایه کربنی به دست آمده را در معرض یک ماده فعال ساز گازی با دمای بالا قرار می دهند. عامل فعال ساز معمولا بخار آب، دی اکسید کربن، اکسیژن یا مخلوط آنها است که، می توانند در دمای بالا با بخشی از کربن موجود در ماده واکنش داده و آن را به صورت عوامل گازی مونو اکسید کربن یا دی اکسید گربن خارج کنند. بنابراین با حذف بخشی از کربن توسط عامل فعال ساز، محصول باقیمانده دارای ساختار متخلخلی خواهد بود.
چگونگی تخلخل کربن فعال به عوامل مختلفی مانند نوع ماده خام، شرایط کربنیزاسیون، نوع عامل فعال ساز، دما و زمان فعال سازی بستگی دارد. زغال فعال تولید شده در این روش معمولا منافذ ریزی دارد و برای جذب موادزا مایعات و گازها مناسب می باشد.
2- فعال سازی شیمیایی
در روش فعال سازی شیمیایی، ماده خام با محلولی غلیظ از یک عامل فعال ساز مخلوط شده و این مخوط بعد از خشک شدن، رد شرایط اتمسفر بی اثر در یک کوره حرارت می بیند. موادی مانند ترکیبات فلزات قلیایی یا قلیایی خاکی مانند هیدروکسید پتاسیم، کربنات پتاسیم، کربنات سدیم، کلرید منیزیم و اسیدها شامل اسید فسفریک، اسید سولفوریک، کلرید آلومینیم و کلرید روی، از جمله پرکاربرد ترین مواد فعال ساز هستند.
در این روش عامل فعال ساز، آب ار از ساختار ماده اولیه حذف می کند و دمای لازم برای کربنیزاسیون را پائین می آورد تا از تشکیل قطران در حین انجام فرایند برای تولید ساختار متخلخل جلوگیری کند. کربن فعال تولید شده در این روش دارای منافذ باز زیادی است و برای جذب مولکول های بزرگ گزینه مناسبی می باشد.
در میان روش های فعال سازی کربن فعال، روش فعال سازی فیزیکی بهترین انتخاب از لحاظ محیطی زیستی و اقتصادی است؛ در حالی که فعال سازی شیمیایی کربن اکتیو بیش ترین سطح و تخلخل را در آن ایجاد می کند.
انواع کربن اکتیو
کربن اکتیو با توجه به اندازه، کاربرد و روش های تولید دارای انواع مختلفی است. از نظر ساختار و میزان تخلخل نیز دارای انواع مختلفی می باشد.
انواع کربن فعال بر اساس تخلخل
بر اساس میزان تخلخل انواع کربن اکتیو به سه دسته میکروتخلخل، ماکرو تخلخل و مزو تخلخل تقسیم بندی می شود. کربن فعال میکرومتخلخل سطح زیاد و منافذ بازی دارد، به همین دلیل بری حذف بو و طعم نامطلوب آب مورد استفاده قرار می گیرد. نوع ماکرو متخلخل کربن نیز برای جذب در فاز گازها و مایعات مورد استفاده قرار می گیرد.
انواع کربن فعال بر اساس اندازه
کربن اکتیو بر اساس اندازه دارای سه نوع پودری، گرانول و اکسترود یا میله ای می باشد. کربن فعال پودری نسبت به حجمی که دارد سطح تماس بالایی ایجاد می کند. هم چنین به دلیل ریز بودن اندازه دانه ها، فاصله نفوذ در این نوع کربن نیز کم است. کربن پودری ظرفیت جذب بالایی دارد.
کربن فعال گرانول نیز نوع دیگری از کربن اکتیو است که، اندازه بزرگ تری نسبت به نوع پودری دارد. بنابراین سطح تماس کمتری نیز ایجاد می کند. سرعت نفوذ در کربن گرانول بالاست و به همین دلیل برای جذب بخارها و گازها استفاده می شود.
علاوه بر این کربن گرانول، برای تصفیه آب، جدایازی ذرات در سیستم های سیال، بو زدایی، حذف رنگ و ... مورد استفاده قرار می گیرد. از گرانول های کوچک تر برای فاز گازی و از گرانول های بزرگ تر کربن فعال برای فاز مایع استفاده می شود.
کربن فعال اکسترود یا میله ای از قالب گیری کربن پودری تحت فشار تولید می شود که، به شکل استوانه ای است. کربن فعال میله ای بیش ترین کاربرد را در فازهای گازی دارند.
کاربردهای کربن فعال
انواع کربن اکتیو دارای مصارف متعددی می باشند. از جمله این کاربردها می توان به تصفیه آب و فاضلاب، پزشکی، صنایع آرایشی و بهداشتی، آزمایشگاه ها، کشاورزی، مصارف زیست محیطی و بسیاری از موارد دیگر اشاره کرد. در زیر مهم ترین کاربردهای کربن فعال را برررسی می کنیم:
• تصفیه آب و فاضلاب: کربن اکتیو به صورت فیلتر کربنی و به خصوص در نوه گرانول در فرایندهای مختلف تصفیه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرد. کربن فعال بو، رنگ، طعم نامطلوب و برخی از فلزات سنگین و کل را از آب حذف می کند.
• پزشکی: کربن برای کمک به درمان بیمارانی که دچار مسمومیت شده اند کاربرد دارد. کربن بعد از بلع مواد سمی را به خود جذب کرده و از بدن بیمار دفع می کند. کربن فعال خوراکی در دوز مشخص و به صورت قرص های کربن در داروخانه ها به فروش می رسد، اما مصرف آن باید مطابق با تجویز پزشک و وضعیت بیمار صورت گیرد.
• آرایشی و بهداشتی: کربن اکتیو در تولید ماسک های صورت، خمیر دندان، کرم های آرایشی و ... مورد استفاده قرار می گیرد و در جذب آلاینده ها و پاکسازی نقش مهمی در این صنعت دارد.
• تصفیه هوا: کربن در تولید فیلترهای تصفیه هوا و ماسک های فیلتر دار نیز مورد استفاده قرار می گیرد. فیلترهای کربنی تصفیه هوا برای حذف آلاینده های شیمیایی، گازها و بو مورد استفاده قرار می گیرند.
• کشاورزی: در کشاورزی برای محافظت از بذر در برابر سمومو علف کش ها از کربن فعال استفاده می شود.
• صنایع دارویی: برای حذف مواد بودار و تهیه برخی از داروهای خوراکی از کربن فعال استفاده می شود. علاوهبر این، برای تصفیه آب مورد نیاز در این صنعت و هم چنین تصفیه پساب آن نیز کربن اکتیو مورد استفاده قرار می گیرد.
• صنایع غذایی: برای کاربردهای زیادی در نایع غذایی شامل رنگ زدایی از آب میوه و نوشیدنی ها از کربن استفاده می شود. کربن اکتیو گرید خوراکی نیز در تولید بستنی، نوشیدنی و ... مورد استفاده قرار می گیرد.
• صنایع پتروشیمی: کربن فعال برای جذب جیوه و شیرین سازی گازها نیز استفاده می شود. علاوه بر این چون قابلیت جذب بالایی دارد، برای ذخیره سازی گازها نیز مورد استفاده قرار می گیرد. با کمک کربن فعال می توان پساب های پتروشیمی را نیز تصفیه کرد.
• و بسیاری از صنایع و کاربردهای دیگر
مکانیسم اثر کربن اکتیو
کربن اکتیو در فرایند تولید، ساختاری متخلخل پیدا می کند. این ساختار جذب سطحی بالایی دارد و می تواند ذرات آلاینده بسیاری را در ساختار خود جذب کند. کربن فعال چه در فیلترهای کربنی و چه در مخزن فیلتر کربنی در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار گیرد، از همین ویژگی جذب سطحی برای حذف آلاینده ها استفاده می کند.
کربن فعال پس از مدتی استفاده در مقیاس خانگی نیاز به تعویض فیلتر پیدا می کند. در مقیاس صنعتی نیز اگر حجم مخزن و کربن مورد استفاده کم باشد با روش های حرارتی کربن را احیا کرده و مجددا از آن استفاده می کنند، اما برای مقادیر بالای کربن این کار به صرفه نیست و هزینه زیادی دارد. در این شرایط کربن جدید را جایگزین کربن استفاده شده داخل مخزن می کنند.
در مکانیسم اثر کربن اکتیو بسیاری از پارامترهای تشخیص کیفیت کربن از جمله عدد یدی کربن سنجیده می شود. از طریق این پارامتر می توان مقدار تخلخل کربن را سنجید. هر چه عدد یدی کربن بیش تر باشد، کربن فعال دارای کیفیت بالاتری است.
مزایا و مضرات کربن فعال
کربن اکتیو مانند هر ماده شیمیایی، دارای مزیت ها و مضراتی می باشد. از جمله مهم ترین مزیت ها و مضرات کربن فعال می توان به موارد زیر اشاره کرد:
مزیت های کربن اکتیو
کربن اکتیو به عنوان یکی از پرکاربرد ترین مواد شیمیایی تصفیه آب دارای مزیت های زیر است:
• خاصیت جذب سطحی بسیار بالا
• مقرون به صرفه
• حذف بو، رنگ، طعم، برخی فلزات سنگین و کلر آب
• محافظت از فیلترهای دیگر سیستم مانند فیلتر ممبران
• کاهش هزینه های نگهداری سیستم ناشی از حذف ناکامل برخی از آلاینده ها
کربن فعال مانند دیگر مواد شیمیایی تصفیه آب دارای مضراتی نیز می تواند باشد که مهم ترین آنها شامل موارد زیر هستند:
به طور کلی کربن اکتیو در فرایند تصفیه آب اگر به میزان لازم و مشخص استفاده شود مضراتی ندارد، اما برخی از مهم ترین مضرات آن مربوط به موارد زیر می شوند:
1- مضرات کربن فعال برای افراد مبتلا به بیماری نادر ارثی پوفیری واریگات: افراد مبتلا به این بیماری در صورت استفاده از کربن فعال روی پوست، روده و سیستم عصبی شان دچار تاثیرات بدی می شوند.
2- مضرات کربن فعال در دوران بارداری و شیردهی: کربن فعال در این دوران می تواند باعث اختلال در جذب ویتامین ها و مکمل های معدنی شود و ایجاد یبوست، حالت تهوع، استفراغ و مدفوع سیاه می کند.
3- خطرات کربن فعال برای افزاد مبتلا به انسداد روده: در صورت انسداد روده و دستگاه گوارش، نباید از کربن فعال استفاده شود. مواد موجود در روده توسط کربن فعال جذب می شود و استفاده همزمان آن با داروها نیز می تواند اثر بخشی آن را در بدن کاهش دهد.
