درباره کربن اکتیو (فعال)

لندینگ کربن فعال

کربن اکتیو(فعال)

امروزه به دلیل منابع آبی محدود و حجم بالای پساب ها، از روش های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مختلفی جهت تصفیه آب و فاضلاب استفاده می شود که هر یک دارای مزیت ها و معایب خاص خود هستند. از آنجایی که تمام مواد آلی موجود در آب یا پساب تصفیه شده دارای ساختار کربنی می باشند، کربن اکتیو پرکاربردترین ماده است که به صورت وسیعی جهت تصفیه این منابع در فاز مایع و گازی استفاده می شود. مهمترین کاربردهای این کربن، جداسازی رنگ، بو، مزه و کلر آب در صنایع مواد غذایی، رنگ و شیمیایی، تصفیه آب استخر و آکواریوم و نیز تصفیه آب خانگی و صنعتی می باشد.

کربن فعال نوعی کربن فعال شده است که بر اثر اصلاح فیزیکی به وجود می آید. این کربن به دلیل ساختار منحصر به فرد خود قادر است که در واکنش با مواد مختلف پیوندهای بسیار قوی و غیر قابل شکستنی ایجاد کند. از ویژگی های بسیار مهم کربن اکتیو می توان به مساحت سطحی بسیار بالا نسبت به حجم آن اشاره کرد، به طوری که آن را به ماده ای با منافذ بسیار ریز تبدیل کرده است که در حذف ناخالصی ها قدرت جذب فوق العاده ای از خود نشان می دهد.

کربن فعال (Activated carbon)

کربن فعال (Activated carbon)

کربن یک عنصر غیر فلزی با عدد اتمی 6 و ظرفیت چهار اتمی است که در روابط شیمیایی با نماد C نشان داده می شود. نام کربن در واقع از واژه لاتین "کربو" به معنی زغال سنگ گرفته شده است که نشان دهنده شباهت خواص این دو ماده به یکدیگر است. کربن از نظر فراوانی، پانزدهمین عنصر در پوسته زمین است و پس از هیدروژن، هلیم و اکسیژن چهارمین عنصر فراوان در جهان شناخته می شود. کربن پس از اکسیژن، دومین عنصر موجود در بدن انسان از نظر جرمی می باشد که حدود 18.5 درصد از وزن کل بدن را به خود اختصاص داده است. اتم های کربن قادر هستند به روش های مختلفی با یکدیگر پیوند برقرار کرده و دگرشکل ها یا آلوتروپ های متنوعی از کربن را به وجود آورند. معروف ترین دگرشکل های کربن، موادی از قبیل گرافیت، الماس و کربن توپی هستند.

کربن فعال، نوعی کربن است که بار الکتریکی مثبت به آن القا شده و به این دلیل قادر است که برخی یون های منفی ناخالصی موجود در سیال را جذب کند. ذرات کربن فعال اصولاً نسبت به حجم خود، مساحت بسیار بالایی دارند. ساختار میکروسکوپی این ذرات دارای شبکه متخلخلی و اسفنجی است که فرایند جذب سطحی در آنها اتفاق می افتد. در کربن اکتیو تراکم بالای خلل و فرج ها در حجم نسبتاً کوچک موجب ایجاد سطح فوق العاده زیاد و عجیبی شده است. این ویژگی کربن تا به حدی است که یک قاشق چای خوری از آن، سطحی به بزرگی یک زمین فوتبال را به وجود می آورد! به کربن فعال، اصطلاحاً زغال فعال یا اکتیو نیز می گویند، زیرا کربن اکتیو در واقع ماده جذب کننده سطحی با جنس زغالی و ساختار کریستالی می باشد که در ساختار داخلی آن روزنه های فراوانی وجود دارد.

از هر ماده ای با درصد کربن بالا می توان به عنوان ماده خام اولیه در تولید کربن فعال استفاده نمود. بدین منظور ابتدا در این فرایند بی هوازی منبع کربن خام جهت تولید کربن فعال سوزانده می شود. در مرحله بعد برای فعال کردن کربن، آن از میان گازهای اکسنده (اکسید کننده) در دمای بسیار بالا عبور می دهند. فعالسازی به این روش موجب ایجاد پرز ها و تخلخل های فراوانی در ساختار کربن اکتیو شده، بنابراین قدرت جذب فوق العاده از خود نشان خواهد داد.

انواع کربن فعال

انواع کربن فعال

کربن فعال یا زغال اکتیو، یکی از مهمترین موادی است که به طور گسترده در تصفیه آب آشامیدنی و صنعتی در کارخانه جات و تصفیه خانه ها استفاده می شود. کربن اکتیو به طور کلی براساس ویژگی های سطحی، رفتار فیزیکی و شیمیایی و روش تولید می توان به انواع کربن فعال قرصی (pellet)، کربن اکتیو پودری، گرانول و میله ای طبقه بندی می گردد. توجه به این نکته ضروری است که در انتخاب کربن فعال مناسب توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی ماده آلاینده اهمیت بسزایی دارد. امروزه متداول ترین انواع کربن اکتیو نوع پودری، گرانول و میله ای (کبریتی) هستند که در ادامه به بررسی آنها می پردازیم.

• کربن فعال پودری (Powdered Active Carbon):

کربن اکتیو پودری (PAC) دارای سایز 1 میلی متر و قطر متوسط 0.15 تا 0.25 میلی متر است. ویژگی بارز این نوع کربن فعال نسبت سطح به حجم بسیار بالای آن می باشد. اما این نوع کربن به دلیل اندازه ریز ذرات در هنگام استفاده افت فشار بالایی ایجاد خواهد کرد.

یکی از پارامترهای مهمی که معمولاً برای تعیین ویژگی های فیزیکی کربن بکار می رود، اصطلاح "مش" می باشد که به معنی توزیع اندازه ذرات کربن اکتیو است. بر این اساس، کربن فعال پودری در واقع به صورت ذرات کربن اکتیو باقی مانده بر روی غربال مش 50 یعنی ذراتی با قطر 0.297 میلیمتر معرفی می شود. این تعریف به این معنی است که 95 تا 100 درصد از ذرات کربن پودری ریزتر بوده و از غربال ذکر شده عبور می کنند. بر طبق استاندارد ASTM، ذراتی که از غربال مش 80 (ذراتی با قطر 0.177 میلیمتر) عبور می کنند نیز در این دسته قرار می گیرند.

• کربن فعال دانه ای (Granular Activated Carbon):

کربن فعال دانه ای یا گرانولی (GAC) نسبت به کربن پودری دارای ذرات نسبتاً بزرگتر و درنتیجه سطح خارجی کوچکتری می باشد. قطر متوسط ذرات کربن فعال گرانولی معمولاً بین 0.2 تا 5 میلیمتر است. این نوع کربن به دلیل سرعت نفوذ بالا، به منظور جذب گازها و بخارها مناسب تر می باشد. از کربن اکتیو گرانولی عمدتاً جهت تصفیه آب، بو زدایی و جداسازی مواد موجود در جریان ها و به ویژه در حوضچه های اختلاط سریع استفاده می شود. کربن فعال سایزهای 20*8، 40*20، 30*8 معمولاً در فاز مایع و سایز 6*4، 8*4، 10*4 در فاز بخار بکار می رود. کربن اکتیو گرانول سایز 40*20 دارای ذراتی در محدوده مش 20 تا 40 می باشد که از مش شماره 20 (ذراتی با قطر 0.84 میلیمتر) عبور کرده اما بر روی غربال استاندارد آمریکایی (ASTM) شماره 40 باقی می ماند.

• کربن فعال میله ای یا کبریتی (Extruded Activated Carbon):

کربن فعال میله ای یا مدادی معمولاً دارای قطری بین 0.8 تا 5 میلیمتر و به شکل استوانه ای هستند. برای تهیه این نوع کربن اکتیو، ذرات کربن پودری را با یک پیوند دهنده به یکدیگر متصل کرده و در یک بسته استوانه ای قرار می دهند. کربن فعال میله ای دارای ویژگی هایی از قبیل افت فشار پایین، قدرت مکانیکی بالا و مقدار غبار پایین است و از آن معمولاً جهت جذب در فاز گازی استفاده می گردد. کربن فعال میله ای با نام کربن اکسترود نیز شناخته می شود.

مهمترین کاربردهای کربن اکتیو

مهمترین کاربردهای کربن اکتیو

در صنایع تصفیه آب جهت حذف ترکیبات آلی، از بین بردن رنگ، بو و مزه نامطبوع از آب معمولاً از کربن فعال استفاده می شود. کربن اکتیو همچنین قادر است که کلیه ناخالصی های حل شده در آب و محصولات ناشی از فرایند گندزایی که طعم نامطبوعی به آب می دهند را به طور کامل حذف کند. کاربردهای عمده کربن اکتیو برای تصفیه آب و مواد شیمیایی در صنایع مختلف است که شامل موارد زیر می باشند:

• تصفیه پساب پتروشیمی و پالایشگاه های نفت

• کاتالیست ها

• تصفیه آب (شرب، آکواریوم ها و آب های صنعتی) از لحاظ رنگ، بو و طعم

• حذف ترکیبات حاوی کلر

• بازیافت طلا

• استفاده در صنایع دفاع

• دستگاه های تصفیه آب خانگی و صنعتی

• به عنوان افزودنی به خوراک دام

• ماسک های گاز و تنفسی (ازجمله ماسک N95)

• حذف رنگ و مواد آلی از آب و فاضلاب

• بهبود رنگ و طعم در صنایع نوشیدنی

• پیش تصفیه سیستم اسمز معکوس

• خالص سازی داروها

• تولید روغن خوراکی و صنعتی

• تصفیه محلول آبکاری فلزات

• رنگ زدایی در صنایع تولید قند و شکر

• در سیستم های تصفیه هوا و گاز

• تولید فیلتر کربنی و مولتی مدیا (فیلتر شنی و کربنی)

• استفاده در صنایع لاستیک سازی به صورت دوده صنعتی

فرایند جذب سطحی (Adsorption)

فرایند جذب سطحی (Adsorption)

پدیده جذب سطحی فرایند جداسازی یا جذب اتم ها یا مولکول های موجود در یک مایع یا گاز است که با سطح جامدی در تماس می باشند. بنابراین در طی این فرایند برخی از اجزای فاز سیال (گاز یا مایع) به سطح جاذب جامد منتقل شده و لایه نازکی از ماده جذب شونده بر روی سطح جاذب ایجاد می گردد. در فرایند جذب سطحی معمولاً ذرات ریز جاذب در بستری ثابت نگه داشته شده و سیال نیز پیوسته از میان بستر عبور داده می شود. پدیده جذب سطحی در واقع تمایل مولکول های سیال برای چسبیدن به سطح جامد تعریف می شود. در این فرایند فاز جامد اصولاً ماده ای جذاب و متخلخل است که منافذی با سطح بسیار بالا ایجاد می کند. هر چه سطح ماده جاذب بیشتر شود، ظرفیت جذب نیز افزایش خواهد یافت. فرایند جذب سطحی عمدتاً در بسیاری از سیستم های فیزیکی و شیمیایی و نیز بیولوژیکی رخ می دهد. در حالت جداسازی گازی از پدیده جذب سطحی به منظور رطوبت زدایی از هوا و دیگر گازها، بو زدایی و حذف ناخالصی هایی مانند دی اکسید کربن از گازهای صنعتی استفاده می گردد. از جمله فرایندهای جداسازی مایع می توان به زنگ زدایی از محصولات نفتی، حذف رطوبت از بنزین و نیز حذف آلاینده های سمی از آب اشاره نمود.

فرایند جذب سطحی در کربن فعال

فرایند جذب سطحی در کربن فعال

پدیده جذب سطحی در واقع ناشی از دو نیروی موثر در خاصیت حلال گریزی و تمایل ویژه ماده حل شونده به سطح ماده جاذب است و به سه نوع جذب تبادلی، جذب سطحی فیزیکی و شیمیایی طبقه بندی می شود. اما فرایند جذب سطحی توسط کربن اکتیو تنها دو نوع آخر (جذب فیزیکی و شیمیایی) موثر می باشند که در ادامه به بررسی آنها می پردازیم:

• جذب سطحی فیزیکی (Physical adsorption)

این نوع جذب سطحی به دلیل نیروی ضعیف واندروالس ایجاد می شود. قدرت این نیرو به طور کلی با فاصله دو ذره رابطه عکس دارد. از مشخصه های جذب فیزیکی انرژی جذب پایین و برگشت پذیری این فرایند است. در این جذب سطحی، بازده جذب با کاهش دما افزایش می یابد، زیرا در دمای پایین جذب سطحی فیزیکی فرایند غالب محسوب می شود. فرایند جذب توسط کربن فعال نمونه ای از جذب سطحی فیزیکی محسوب می شود.

• جذب سطحی شیمیایی (Chemical adsorption)

در این نوع جذب سطحی، بین جز جذب شونده و سطح ماده جاذب یک واکنش شیمیایی رخ می دهد که فرایندی برگشت ناپذیر است. زیرا انجام واکنش معکوس آن به انرژی بالا نیازمند خواهد بود. این نوع جذب سطحی برخلاف جذب فیزیکی با افزایش دما، سرعت جذب بیشتر می شود.

اگرچه هریک از فرایندهای جذب سطحی دارای کاربردهای خاص خود هستند، اما برخی از پدیده های جذب سطحی در اثر ترکیب سه فرایند جذب فوق صورت می گیرند که معمولاً تشخیص نوع آنها به آسانی امکان پذیر نیست.

عوامل موثر در قدرت جذب سطحی

عوامل موثر در قدرت جذب سطحی

قدرت جذب سطحی هر ماده به طور کلی به عوامل مهم زیر بستگی دارد:

• مساحت سطح جاذب

• نوع ماده جذب شونده و جاذب

• حالت فیزیکی ماده جذب شونده و جاذب

• ترکیب و غلظت مواد آلاینده

• PH و دمای آب

• مقدار جریان و سطح تماس کربن و آب

مکانیزم جذب توسط کربن فعال

کربن اکتیو توسط فرایند جذب فیزیکی، ذرات آلاینده را از جریان های مایع و گازی جداسازی می کند. نسبت سطح به حجم بالای کربن موجب می گردد که آلودگی ها به آسانی به سطح آن بچسبند. مکانیزم جذب سطحی توسط کربن به این ترتیب است که به علت مساحت سطحی بالای کربن، نیروهای جذابی ایجاد می شود که قادر است سایر مولکول ها را به خود جذب کند. در این فرایند مواد جذب شونده موجود در محلول به سوی کانال تخلخل کربن هدایت شده تا به سطحی قوی برسند. از آنجایی که نیروی جاذبه سطح کربن از نیروهای مولکولی بیشتر است، مواد آلودگی توسط ذرات کربن اکتیو جذب می شوند. آلاینده های آلی عمدتاً جرم مولکولی بالایی دارند و از نظر الکتریکی خنثی (غیر قطبی) هستند. ازآنجایی که این مواد دارای ماهیت شیمیای هستند، به آسانی به سمت کربن اکتیو جذب می شوند. برای اینکه مواد آلوده کننده آلی بتوانند از تخلخل های کربن فعال ابعاد کوچکتری دارند، به آسانی از آنها عبور می کنند. این فرایند هنگامی اتفاق می افتد که کربن و مواد آلودگی هر دو به صورت محلول در آب باشند.

علاوه بر جذب فیزیکی، ممکن است برخی واکنش های شیمیایی نیز در سطح کربن اکتیو انجام شوند. یکی از این واکنش ها، حذف کلرین در اثر واکنش شیمیایی کلرین با کربن و تولید یون های کلراید فعال است. هرچه ذرات کربن ریزتر و دارای سطح ناهموارتری (متخلخل تری) باشند، مساحت سطح جذبی و کیفیت آنها بالاتر است.

مراحل جذب توسط کربن فعال

براساس مطالب گذشته، فرایند جذب ذرات آلاینده توسط کربن فعال طی مراحل زیر اتفاق می افتد:

• تماس ذرات آلاینده محلول در آب با ذرات کربن اکتیو

• پخش شدن ذرات آلاینده در شبکه متخلخل کربن فعال

• جذب ذرات آلاینده به کربن و ایجاد پیوندی برگشت ناپذیر

کربن فعال توانایی حذف چه آلاینده هایی از آب را دارد؟

کربن فعال توانایی حذف چه آلاینده هایی از آب را دارد؟

مهمترین موادی که توسط کربن فعال (و فیلتر کربن اکتیو) در فرایند تصفیه آب حذف می شوند شامل موارد زیر هستند:

1- حذف کلر آزاد:
از آنجایی که کربن فعال تمایل بالایی در جذب کلر آزاد دارد، بنابراین یکی از مهمترین کاربردهای آن جهت حذف کلر محسوب می شود. در این روش کلر موجود در آب تا حدی موجب آسیب یا تخریب ذرات کربن اکتیو می گردد.

به این منظور زمان تماس مناسب بین آب با بستر کربن را معمولاً بین 7 تا 15 دقیقه در نظر می گیرند. فرایند کلر زدایی توسط کربن فعال به سرعت اتفاق می افتد و معمولاً سرعت جریان بالایی دارد. اما این فرایند به سطح بسیار بالایی نیاز دارد و پس از مدتی استفاده، منافذ کربن توسط ارگانیسم ها پر شده و مسدود می گردد.

2- حذف یون کلر (کلرید):
نمک های محلول در آب اصولاً به شکل کاتیونی یا آنیونی هستند. عمده ترین کاتیون های موجود در آب، یون کلسیم، منیزیم و منگنز و آنیون های مهم آب نیز، یون های بی کربنات، کربنات و هیدروکسید می باشند.

طعم شوری آب معمولاً ناشی از وجود مقادیر بالای یون کلراید در آب است. زیرا یون سدیم با غلظت 250 میلی گرم در لیتر یون کلر معمولاً طعم شوری محسوسی در آب ایجاد می کند. این در حالی است که کاتیون های منیزیم و کلسیم حتی تا غلظت 1000 میلی گرم در لیتر کلرید ممکن است شوری قابل توجهی به آب ندهد. ذرات کربن فعال قادر هستند که 50 تا 70 درصد یون کلر را از آب حذف کرد.

3- حذف ترکیبات آلی نامطلوب مانند COD و BOD از آب:
اصطلاحCOD به مقدار اکسیژن لازم جهت تجزیه شیمیایی مواد آلی گفته می شود. BODنیز میزان اکسیژن محلول مورد نیاز برای میکروارگانسیم های هوازی جهت تجزیه مواد آلی موجود در آب تعریف می گردد. COD و BOD در واقع مهمترین شاخص های سنجش کیفیت آب و فاضلاب محسوب می گردند.

این ترکیبات سبب ایجاد رنگ، طعم و بوی نامطبوع در آب شده و به عنوان منبعی برای رشد میکروارگانیسم ها و جلبک ها به شمار می آید. استفاده از کربن فعال (فیلتر کربنی) در فرایند تصفیه می تواند COD و BOD آب را کاهش داده و به میزان بالایی ناخالصی ها و کدورت آب را حذف کند.

4- حذف فلزات سنگین :
فلزات سنگینی مانند یون مس، روی، سرب، کادمیم و کروم در آب مهمترین آلاینده غیر آلی سمی آب هستند که حتی مقادیر پایین آنها می تواند سبب مشکلات زیست محیطی جدی شوند.

5- حذف نیترات:
نیترات یکی از مهمترین مواد ضروری برای رشد گیاهان و منبعی غنی از ازت محسوب می شود. اگرچه مقادیر پایین نیترات در آب اثر مضری بر سلامتی ندارد، اما مقادیر بالاتر از حد مجاز از آن می تواند موجب آثار مخربی مانند کمبود اکسیژن (Methemoglobinemia) در انسان شود.

تفاوت انواع مختلف کربن

تفاوت انواع مختلف کربن

تفاوت مهم انواع کربن های فعال در نوع ماده خام و روش تهیه آنها می باشد. ترکیب شیمیایی ماده خام اولیه در تعیین ویژگی های اساسی کربن فعال اهمیت بالایی دارد و باعث ایجاد تفاوت های عمده ای در ویژگی های محصول نهایی خواهد شد. به طور کلی کربن فعال پودری در مقایسه با کربن نوع دانه ای سطح تماس بالاتری با سیال مورد نظر ایجاد کرده و از قدرت جذب ببشتری برخوردار است. بعلاوه، هر چه زمان تماس سیال و کربن فعال طولانی تر باشد، طبعاً جذب ناخالصی ها بیشتر بوده و تصفیه آب بهتر صورت می گیرد.

کربن اکتیو تولید شده از قیر گستره وسیعی از تخلخل ها با ابعاد مختلف دارد. تخلخل های این کربن عمدتاً از نوع میکروحفره و ماکروحفره می باشند. از کربن فعال پایه قیر معمولاً برای فرایندهایی مانند کلرزدایی و جداسازی آلاینده های آلی و حذف ذرات بزرگ رنگ از آب استفاده می شود.

روش های تولید کربن فعال

کربن اکتیو معمولاً از ذغال موادی نظیر پوست نارگیل (و پوست گردو، پسته و ...) کک نفت خام، خاک اره، هسته میوه ها (مانند خرما، زردآلو، هلو و ...)، ذغال سنگ و سایر انواع چوب تولید می شود. برای تبدیل این مواد خام به کربن فعال گرانول عمدتاً از فرایندهای حرارتی و شیمیایی استفاده می گردد. فرایند حرارتی توسط تزریق بخار و فرایند شیمیایی با افزودن مواد غیر آلی به مواد خام در دمای پایین انجام می گردد. به طور کلی دو روش مهم برای سنتز کربن اکتیو به شرح زیر هستند:

1- فرایند پیرولیز

فرایند پیرولیز به تبدیل ترموشیمیایی مواد زیستی آلی (به نام بیوماس) به سوخت های گازی یا مایع در دمای بسیار بالا و در عدم وجود هالوژن و اکسیژن تعریف می شود. به عبارتی دیگر پیرولیز اصطلاحاً فرایندی است که در آن به صورت همزمان ترکیب شیمیایی و فاز فیزیکی ماده تغییر می کند و نوعی فرایند برگشت ناپذیر است. در فرایند پیرولیز معمولاً مواد کربنی در معرض درجه حرارت بسیار بالا قرار می گیرند. منابع اولیه کربنی که در این روش مورد استفاده موادی مانند چوب، زغال سنگ، پوست نارگیل و ضایعات برخی میوه ها هستند، سپس در مراحل بعدی ماده کربنی تحت فرایند فعالسازی قرار می گیرد. ویژگی های کربن اکتیوی که به روش پیرولیز تولید می شود به پارامترهایی مانند دما، میزان گرما دهی، شدت جریان گاز نیتروژن و زمان سپری شده بستگی دارد.

فرایند تجزیه حرارتی و حذف مواد غیر کربنی از منبع کربنی اولیه تحت دمای بالا و عدم حضور اکسیژن را اصطلاحاً فرایند کربونیزاسیون (Carbonization) می گویند. بنابراین عملیات پیرولیز که محصول تولید شده حاوی مقدار بالایی کربن می باشد، در واقع نوعی فرایند کربونیزاسیون محسوب می شود.

2- فرایند پیرولیز با بخار آب

نوعی دیگر از فرایند پیرولیز همراه با بخار آب صورت می گیرد. در این فرایند به منظور سنتز کربن فعال از مواد اولیه کشاورزی در محدوده دمایی 500 تا 800 درجه سانتیگراد در حضور جریان بخار آب استفاده می شود. فرایند پیرولیز حرارتی به طور گسترده ای از ضایعات کشاورزی برای سنتز کربن فعال استفاده می کند.

روش های فعالسازی کربن اکتیو

روش های فعالسازی کربن اکتیو

زغال تولید شده توسط روش کربونیزاسیون تنها دارای یک ساختار متخلخل اولیه است و نمی توان از آن به عنوان یک ماده جاذب استفاده شود، مگر آنکه ساختار حفرات آن بهبود یافته یا فعال شوند. سرعت فرایند فعالسازی به نوع ماده اولیه و عامل فعالسازی بستگی دارد. در این فرایند عواملی مانند اکسیژن و دی اکسید کربن به ترتیب دارای بیشترین و کمترین واکنش پذیری می باشند. در طی فرایند کربونیزاسیون ابتدا فضای خالی در کربن تشکیل شده، سپس این فضا توسط کربن های غیر آرایش یافته (آمورف) اشغال می گردد. بنابراین ضروری است که پس از مرحله کربونیزاسیون به روش پیرولیز توسط یکی از سه روش زیر کربن را فعالسازی نمود:

• روش فعالسازی فیزیکی کربن اکتیو

فعالسازی فیزیکی فرایندی دو مرحله ای است که توسط تقطیر تخریبی ماده کربنی (تبدیل به زغال) و سپس فعال سازی زغال در درجه حرارت بالا در حضور اکسیدهای گازی مناسب صورت می گیرد. اکسیدهای گازی که معمولاً در این روش استفاده می شود، معمولاً دی اکسید کربن، بخار آب، هوا و یا مخلوط آنها هستند و کربن با بخار با درجه حرارت 600 تا 7000 سانتی گراد تماس می یابد.

• روش فعالسازی شیمیایی کربن اکتیو

روش فعالسازی شیمیایی توسط واکنش ماده کربنی با یک عامل شیمیایی صورت می گیرد. این روش تولید کربن فعال در دو مرحله کربونیزاسیون (پیرولیز) و فعالسازی به صورت همزمان انجام می شود. روش فعالسازی شیمیایی کربن تنها یک کوره ساده موردنیاز است، اما در فعالسازی فیزیکی به دو کوره برای کربونیزاسیون و فعالسازی احتیاج است. به طور کلی هر عامل فعالسازی موجب ایجاد ساختار منافذ متفاوتی در ماده کربنی می شود. این روش عمدتاً توسط مواد شیمیایی مانند روی کلرید، پتاسیم هیدروکسید، فسفریک اسید و پتاسیم کربنات انجام می گردد. صرفه اقتصادی فعالسازی شیمیایی به میزان بالایی به بازیافت موثر عامل شیمیایی مورد استفاده در این روش بستگی دارد. بازیافت عوامل شیمیایی معمولاً توسط یک مرحله لیچینگ و خشک کردن کربن شسته شده صورت می گیرد. مهمترین مزیت های فعالسازی شیمیایی نسبت به روش

فیزیکی، فعالسازی در دمای پایین، انجام فرایند در یک مرحله و به صورت همزمان می باشند. در میان دو روش بالا، فعالسازی با بخار از نظر زیست محیطی و اقتصادی بهترین روش محسوب می شود، اما فعالسازی شیمیایی بیشترین سطح و تخلخل را ایجاد می کند.

منابع تولید کربن اکتیو

منابعی که عمدتاً برای تولید کربن اکتیو مورد استفاده قرار می گیرند، شامل موارد زیر هستند:

1- مواد خام سلولزی:

از این مواد برای تولید کربن اکتیو پایه سلولزی (گیاهی) استفاده می شود و شامل موارد زیر هستند:

• پوشش حصیری پوسته نارگیل

• پوست میوه ها (پوست پرتقال، گردو، بادام و پسته)

• هسته میوه ها (مانند هسته زیتون و هلو)

• چوب

2- مواد خام کربنی:

مواد خام کربنی مورد استفاده در تولید کربن فعال دارای انواع زیر می باشد:

• زغال سنگ بیتومینه (Bituminous Coal): زغال سیاه و براق که به نام زغال خانگی نیز شناخته می شود.

• زغال سنگ قیر (Lignite Coal): نوعی زغال سنگ به رنگ قهوه ای مایل به سیاه

• کک نفتی

• قطران زغال سنگ

3- مواد خام پلیمری:

مواد پلیمری که جهت تولید کربن اکتیو استفاده می شود، شامل مواد زیر هستند:

• ضایعات لاستیک

• ضایعات پلاستیک

اگرچه کربن های فعال غالباً از زغال سنگ تولید می شوند. با این وجود گریدهایی از کربن فعال که پایه سلولزی دارند، معمولاً از پوسته نارگیل، گردو و بادام تولید می گردند.

تخلخل در کربن اکتیو

تخلخل در کربن اکتیو

کربن فعال ساختار متخلخلی با مساحت سطحی بالاتر از 1000 متر مربع بر گرم دارد. این ساختار متخلخل در تعیین ویژگی ها و عملکرد کربن اکتیو به عنوان ماده ای جاذب نقش مهمی را ایفا می کند. کربن اکتیو باید حاوی دامنه وسیعی از حفره ها باشد تا ماده جذب شونده به آسانی درون تخلخل های کربن نفوذ کرده و ذراتی با اندازه مولکولی معینی را به خود جذب کند. حفره های کربن فعال براساس سیستم طبقه بندی IUPAC به سه دسته کلی حفره های میکرو، حفره های مزو و ماکرو طبقه بندی می شوند که در زیر به توضیح آنها می پردازیم:

• میکرو تخلخل (Micropores):

اگر ذرات کربن فعال حاوی حفره های کوچک با قطر کمتر از 10 آنگستروم (1 نانومتر) باشند، حفره های این کربن را اصطلاحاً میکروتخلخل می گویند. به منظور جذف طعم و بو توسط کربن اکتیو لازم است که کربن حاوی تعدادی میکروتخلخل باشد.

• مزو تخلخل (Mesopores):

اگر حفره های میکروسکوپی کربن اکتیو، قطری بین 1 تا 25 نانومتر داشته باشد، به آنها مزوتخلخل گفته می شود.

• ماکرو تخلخل (Macropores):

اگر کربن فعال دارای تخلخل هایی با ابعاد بیشتر از 25 نانومتر باشد به آنها ماکرو تخلخل گفته می شود.

توزیع اندازه حفره ها در جذب کربن اکتیو در فاز گاز و مایع نقش مهمی ایفا می کند. کربن جاذب گازی دارای منافذ و حفره های بسیار ریزی است که مولکول های گاز را به سرعت در منافذ خود به دام می اندازد، اما این فرایند در جذب مایعات محدودتر عمل می کند. اما کربن فعال جاذب مایعات، دارای توزیع یکنواخت تری از تخلخل مختلف است. حفره های بزرگ و متوسط در این کربن مولکول های بزرگ را در خود جای داده و مایع نیز به آسانی در منافذ ریز کربن نفوذ می کند.

انتخاب کربن اکتیو مناسب

انتخاب کربن اکتیو مناسب

هر منبع تولید کربن، دارای ساختار منحصر به فردی می باشد که می تواند بر اساس ویژگی های خاص خود منافذی با حفره های کوچک (میکروتخلخل)، حفره های متوسط (مزوتخلخل) یا حفره های بزرگ (ماکروتخلخل) ایجاد کند.

کربن فعال پایه گیاهی تولید شده از پوست نارگیل دارای درصد بالایی از میکروتخلخل ها می باشد و به منظور حذف آلاینده های بسیار ریز انتخاب مناسبی محسوب می شود. کربن اکتیو پایه چوب نیز دارای ماکروتخلخل های بیشتری است که جهت رنگزدایی و حذف آلاینده های بزرگتر مناسب تر می باشد. کربن فعال تولید شده توسط زغال سنگ نیز دارای ساختار منافذی است که برای حذف آلاینده های آلی عمومی انتخاب مناسبی به شمار می آید. بنابراین نوع و اندازه حفره ها در کاربرد کربن فعال نقش مهمی را ایفا می کند. حفره های کربن فعال پایه چوب و پوست نارگیل به ترتیب دارای بزرگترین و کوچکترین حفره ها می باشند.

اگر اندازه مولکولی ذرات آلاینده سایز کمتر از 10 نانومتر (100 آنگستروم) داشته باشند، استفاده از کربن فعال پایه نارگیل توصیه می گردد. در صورتی که میانگین اندازه مولکولی ذرات آلاینده بین 100 تا 1000 آنگستروم باشد، استفاده از کربن اکتیو پایه زغال سنگ بدین منظور بهتر است. برای حذف آلاینده هایی با اندازه مولکولی بالاتر از 1000 آنگستروم، کربن فعال پایه چوب انتخاب مناسبی محسوب می شود.

عدد یدی (Iodine Number) کربن فعال

عدد یدی یکی از فاکتورهای مهم تعیین کننده قدرت جذب مواد ناخالصی و عمر باقیمانده کربن اکتیو به شمار می آید. به بیانی کامل تر این ویژگی کربن فعال در واقع بیانگر میزان تخلخل هایی از کربن است که توسط جذب ید از محلول حاوی کربن اندازه گیری شده است. شاخص عدد یدی کربن معمولاً برحسب میلی گرم ید جذب شده به ازای هر گرم کربن فعال گزارش می شود. با توجه به ابعاد مولکولی عنصر ید می توان دریافت که کربن فعالی که عدد یدی بالاتری دارد، در جذب موادی با وزن مولکولی پایین تر و قطر کمتر از 20 آنگستروم توانایی بیشتری از خود نشان می دهد. البته فاکتورهای دیگری نظیر قدرت جذب انتخابی، رطوبت، محتوای خاکستر، مساحت سطحی و ... نیز در تعیین کیفیت کربن فعال اهمیت بسزایی دارند.

طبق مطالب بالا، از شاخص عدد یدی کربن اکتیو برای پیش بینی اندازه میکروحفره ها (micropores) در کربن استفاده می شود. از آنجایی که این ویژگی مهم عمر مفید کربن اکتیو را به خوبی نشان می دهد، بنابراین پس از مدتی استفاده عدد یدی کربن فعال تغییر کرده، بنابراین اندازه گیری های بعدی عدد یدی کربن قطعاً مقادیر پایین تری را نشان می دهد.

تاثیر عدد یدی در کیفیت کربن اکتیو

قدرت جذب کربن اکتیو معمولاً توسط شاخص به نام عدد یدی مشخص می شود. به منظور عمکرد مناسب کربن فعال باید عدد یدی در محدوده 500 تا 1200 (میلی گرم بر گرم) باشد. هر چه کربن فعال دارای عدد یدی بالاتر باشد، کربن اکتیو منافذ، سطح تماس و درنتیجه فعالیت (اکتیویته) بیشتری خواهد داشت. بنابراین، این کربن قدرت بالایی برای جذب گاز و ناخالصی های دیگر با وزن مولکولی پایین تر و قطر کمتر از 20 آنگسترم از خود نشان می دهد. کربن اکتیو دارای عدد یدی بالاتر برای جذب مواد آلی با جذب ضعیف از ظرفیت بالاتری برخوردار خواهد بود. این درحالی است که کربن های فعال با عدد یدی پایین ممکن است دارای تخلخل های بزرگتری باشد که جهت جداسازی ذرات آلی بزرگ مناسب تر است. عدد یدی یکی از مهمترین مشخصات کربن اکتیو است و برای کربن فعال مورد استفاده در فاز مایع اندازه گیری آن اهمیت بسزایی دارد.

مش کربن فعال

مش کربن فعال

اصطلاح مش، شاخص استانداردی است که برای توصیف اندازه و دانه بندی مواد پودری و به ویژه پودر های میکرونیزه (ابعاد میکرومتری) در سال های 1986 تا 1987 به وجود آمد. با استفاده از آنالیزهای آزمایشگاهی و نمونه برداری از ماده پودری توزیع اندازه ذرات (particle size distribution) موجود در ماده اندازه گیری می شود. شاخص مش مواد پودری یکی از پارامترهای مهم کیفیت آنها می باشد و معمولاً توسط اندازه اکثریت ذرات اندازه گیری می شود.

کربن اکتیو گرانول (GAC) در واقع نوع کربن فعال با اندازه ای است که از مش سایز 80 عبور نکند. از این رو برخلاف کربن اکتیو پودری (PAC)، کربن گرانوله را می توان به تنهایی در فرایندی مشابه فیلتر جاذب استفاده نمود.

کربن فعال پودری، اصطلاحاً به کربن فعالی گفته می شود که ذرات آن دارای قطری کمتر از 1 میلیمتر باشند و بر روی غربال مش سایز 50 (قطر 0.297 میلیمتر) باقی بمانند. در این کربن در واقع 95 تا 100 درصد از ذرات قطری کوچکتر از 0.297 میلیمتر دارند. بنابراین ذراتی که از غربال مش 80 عبور می کنند نیز در این گروه قرار دارند. مزیت مهم کربن فعال پودری سطح فعال در واحد حجم بالای آن می باشد، اما این کربن به دلیل ذرات ریز خود با افت فشار بالایی مواجه خواهد شد. بنا بر تعریف اصطلاح مش، کربن گرانوله سایز 40*20 شامل ذراتی است که در محدوده مش سایز 20 تا 40 باشند. به این معنی که این ذرات از مش استاندارد سایز 20 (0.84 میلیمتر) عبور کرده، اما بر روی مش سایز 40 باقی می مانند.

براساس استاندارد بین المللی ASTM مش هایی با سایز مختلف تعریف می شود که توسط جدول زیر می توان آنها را به میلیمتر و اینچ تبدیل نمود. برخی مش های مستعمل در محصولات کربن اکتیو در جدول آمده است:

مش آمریکایی (U.S.Mesh)اینچ (Inch)میلیمتر (mm)
80.09372.380
120.06611.680
160.04691.190
200.03310.841
300.02320.595
400.01650.400
500.01170.297
کربن اکتیو جاکوبی

کربن اکتیو جاکوبی

کربن اکتیو یکی از مهمترین مواد مورد استفاده در صنایع تصفیه آب و فاضلاب است که عمدتاً به دو شکل پودری و گرانول (و گاهی به شکل میله ای) تولید می شود.

محصولات کربن های فعال موجود در بازار دارای برندهای متنوع سوئدی، هلندی، چینی و ایرانی و کیفیت های متفاوت هستند. کمپانی سوئدی جاکوبی (Jacobi) بزرگترین و مشهورترین شرکت های تولید کننده کربن فعال جاکوبی در اروپا می باشد که این کربن فعال در صنایع مهمی مانند تصفیه آب، رنگ زدایی از قند و شکر و نیز بازیافت طلا کاربرد وسیعی دارد. کربن های فعال جاکوبی از بهترین مواد خام اولیه و در گریدهای مختلف تولید شده اند که پرکاربردترین گرید آنها در ایران کربن فعال گرید Aqua sorb 1000 و Aqua sorb 2000 هستند.

کربن فعال گرانول جاکوبی Aqua sorb 1000 محصولی بسیار مقرون به صرفه از شرکت جاکوبی می باشد که از زغال سنگ بیتمنس (Bituminous) با خلوص عالی تولید شده است. این کربن فعال بین جذب سطحی و حمل و نقل منافذ تعادل مطلوبی ایجاد می کند و در دامنه وسیعی از مصارف صنعتی در تصفیه آب عملکرد مطلوبی را از خود نشان می دهد. این محصول نسبت به کربن فعال جاکوبیAqua sorb 2000 دارای کاربرد گسترده تری می باشد.

مش های متداول کربن اکتیو جاکوبی

مش های متداول کربن اکتیو جاکوبی

محصولات کربن اکتیو کمپانی جاکوبی (Jacobi) در سه نوع کربن پودری، گرانوله و میله ای تولید شده اند و براساس مش های استاندارد ASTM دارای انواع زیر می باشند:

• کربن فعال گرانول مش 50*20 (0.35 تا 0.85 میلیمتر)

• کربن فعال گرانول مش 30*8 (0.60 تا 2.36 میلیمتر)

• کربن فعال گرانول مش 20*8 (0.85 تا 2.36 میلیمتر)

• کربن فعال گرانول مش 16*8 ( 1.18 تا 2.36 میلیمتر)

• کربن فعال گرانول مش 40*12 (0.425 تا 1.70 میلیمتر)

• کربن فعال پودری مش 200 (0.074 میلیمتر)

کربن گرانول جاکوبی مش 30*8 دارای ذرات با قطر 0.60 تا 2.36 میلیمتر می باشد و پرکاربردترین مش کربن محسوب می شود. این مش کربن فعال عمدتاً برای استفاده در فاز مایع تولید می شود. برخلاف انواع دیگر محصولات این کمپانی کربن های فعال میله ای جاکوبی تنها براساس قطر ذرات خود در محدوده 1.5 تا 6 میلیمتر نامگذاری می شوند.

کاربردهای کربن اکتیو براساس مش آنها

کاربردهای مهم کربن فعال براساس مش و سایز اندازه ذرات مختلف را می توان در مصارف صنعتی زیر دسته بندی نمود:

• تصفیه گاز:

فیلترهای کربن فعال دارای کاربرد وسیعی در واحدهای تصفیه گاز هستند. در میان مش های متنوع کربن فعال، استفاده از مش های 50*7 و 30*8 جهت تصفیه گاز در واحدهای صنعتی مطلوب تر است.

• فاز مایع:

محبوب ترین و پرکاربردترین نوع کربن فعال در فاز آبی، مش هایی با سایز 30*8 و 40*12 می باشند که به علت ایجاد تعادل مناسب بین پارامترهایی نظیر سایز، مساحت و افت فشار در کربن اکتیو گرانوله کاربرد بیشتری دارند. علاوه بر این از کربن اکتیو گرانوله در سایزهای 20*8 و 40*20 نیز در فاز مایع استفاده می گردد. کاربردهای مهم این کربن های فعال در فاز مایع معمولاً جهت جداسازی رنگ، بو، طعم و ناخالصی های محلول و همچنین بازیافت ماده موردنظر درون یک محلول است.

• فاز بخار:

کربن اکتیوی که عمدتاً در فاز بخار مورد استفاده قرار می گیرد، دارای سطح فعالی در محدوده 1000 تا 2000 متر مربع بر گرم است. این کربن فعال ذرات بزرگتر، متراکم تر و مستحکم تری دارد. مش های متداول این کربن اکتیو معمولاً مش های سایز 6*4، 8*4 و 10*4 می باشد. مزیت های مهم استفاده از کربن فعال در فاز گازی به طور کلی شامل ظرفیت جذب بالا (در واحد حجم)، جذب حجم بالاتری از گاز در مجاروت با رطوبت، ظرفیت نگهداری بالا، آزاد شدن مواد جذب شده با افزایش دما و کاهش فشار می باشند.

• فیلترهای کارتریج:

در فیلترهای تصفیه آب کارتریج معمولاً انتخاب کربن فعال با سایز مش 50*20 و 40*12 مناسب تر است.

• مصارف عمومی:

مش های 40*12 و 30*8 کربن فعال در مقایسه با سایزهای دیگر برای استفاده در مصارف عمومی انتخاب مناسب تری محسوب می شود.

پارامترهای موثر دیگر در کیفیت کربن اکتیو

پارامترهای موثر دیگر در کیفیت کربن اکتیو

در تولید کربن فعال پایه گیاهی می توان از زغال پوسته نارگیل استفاده کرد که در صورت تماس با آب هیچ نوع ماده شیمیایی مضری تولید نمی کند. خواص کربن اکتیو پس از تولید معمولاً براساس میزان فعالیت (واکنش پذیری) و ویژگی های فیزیکی آن سنجیده می شود. علاوه بر شاخص هایی مانند عدد یدی و اندازه ذرات (مش) کربن، پارامترهای دیگری که در کیفیت کربن فعال اهمیت بسزایی دارند، شامل موارد زیر هستند:

• عدد ملاس (Molasses number):

عدد ملاس در واقع شاخصی است که میزان توانایی کربن فعال در جذب مولکول هایی با ابعاد بزرگتر از 2 نانومتر (20 آنگسترم) را نشان می دهد.

• عدد تانین (Tannin number):

این ویژگی کربن معمولاً براساس تعداد قسمت در یک میلیون اندازه گیری می شود و نشانگر توانایی کربن فعال در جذب مخلوط مولکول های بزرگ و متوسط است.

• عدد متیلن بلو (Methylene blue number):

این شاخص بیانگر توانایی کربن اکتیو در جذب مولکول هایی با ابعاد متوسط است.

• کلرزدایی (Dechlorination):

یکی از پارامترهای مهم ارزیابی کلرهای موجود در آب، نیمه عمر کلرزدایی آنها است. این ویژگی در واقع نشانگر میزان راندمان حذف کلر توسط کربن می باشد. طول نیمه عمر کلرزدایی نشان دهنده عمق مورد نیاز کربن جهت کاهش سطح کلریک موجود در سیال از میزان 5 به 5.3 قسمت در یک میلیون است. به بیانی روشن تر کربن های فعالی دارای نیمه عمر پایین تر، عملکرد و بازده بالاتری را از خود نشان می دهند.

• چگالی ظاهری یا وزن مخصوص ظاهری (Apparent density):

چگالی ظاهری بالای کربن فعال، بیانگر کیفیت مطلوب تر آن می باشد و معمولاً دارای مقداری در محدوده 2000 تا 2100 کیلوگرم بر متر مکعب است. از آنجایی که کربن اکتیو ساختاری متخلخل و میزان فضای خالی بالایی دارد، بنابراین چگالی واقعی آن کمتر از 400 تا 500 کیلوگرم بر متر مکعب است. این ویژگی بیانگر چگالی کربن در بالاترین بازده تراکم است و برحسب واحدهای g/cc یا lbs/cf گزارش می شود.

• سختی یا عدد ساییدگی (Hardness/ Abrasion number):

شاخص ساییدگی و سختی کربن فعال در واقع بیانگر مقاومت کربن در برابر ساییدگی و حفظ استحکام و ساختار آن است. این ویژگی کربن به میزان بالایی به نوع ماده اولیه و میزان فعالیت و واکنش پذیری آن وابسته است.

• مقدار خاکستر (Ash content):

این ویژگی نشان دهنده میزان مواد غیر کربنی موجود در کربن فعال است، زیرا همه مواد پایه کربن حاوی مقدار اندکی خاکستر می باشند که این میزان بسته به نوع و ترکیب آنها متفاوت است. برای مثال کربن های فعال پایه گیاهی پوسته نارگیل دارای میزان بالاتری فلزات قلیایی خاکی هستند، اما کربن های پایه زغال حاوی مقدار فلزات سنگین بالاتری می باشند. تشکیل خاکستر معمولاً سبب کاهش میزان فعالیت کلی کربن و عملکرد آن می شود. باید توجه داشت که سطح خاکستر محلول در اسید یا آب از خاکستر کل اهمیت بالاتری دارد. کربن های فعال با سطح خاکستر محلول پایین معمولاً در مصارف دریایی و تولید آب تازه مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا این کربن از رشد گیاههان و جلبک ها در آب و نیز مسومیت با فلزات سنگین ممانعت می کند. استاندارد مورد استفاده در اندازه گیری سطح خاکستر کربن فعال، استاندارد بین المللی ASTMD 2866-2011می باشد.

• فعالیت تتراکلریدی کربن فعال (Carbon tetrachloride activity):

کربن تتراکلرید ماده ای بسیار سمی است و به دلیل آنکه به سرعت به بخار تبدیل می شود، استنشاق آن بسیار خطرناک می باشد. میزان جذب بخار تتراکلرید کربن اشباع شده پارامتر مهمی است که برای تعیین میزان تخلخل و اکتیویته کربن اندازه گیری می شود.

• میزان PH:

یکی از ویژگی های کربن فعال میزان PH آن است. PH کربن در فرایند جذب و نگهداری مواد جذب شده بسیار موثر می باشد. کربن فعال تولید شده از پوسته نارگیل معمولاً PH بین 9 تا 11 دارد.

• میزان رطوبت:

رطوبت کربن اکتیو بیانگر میزان آبی است که در شرایط محیطی مطلوب به شکل فیزیکی با کربن اکتیو پیوند ایجاد کرده است. جهت عملکرد مطلوب کربن فعال میزان رطوبت مجاز آن معمولاً در بازه 3 تا 6 درصد می باشد.

فیلتر کربن فعال

فیلتر کربن فعال

تمام مواد آلی موجود در آب دارای ساختار کربنی هستند و موجب کدورت، بو و طعم نامطبوع و تاثیر منفی بر کیفیت آب خواهند شد. فیلتر کربنی به دلیل دارا بودن کربن اکتیو قادر می باشد که پس از واکنش با مواد آلی به میزان بالایی آنها را به خود جذب کند. از فیلتر کربن اکتیو معمولاً به عنوان فیلتر پیش تصفیه دستگاه تصفیه آب صنعتی استفاده می شود. شکل و جنس فیلتر کربنی مشابه فیلتر شنی می باشد و اجرای مهم آن شامل یک مخزن، شیر ورودی و خروجی، سیلیس و کربن اکتیو است. بدنه اصلی این فیلتر معمولاً از جنس فلزی (استیل) یا FRP (فایبرگلاس) ساخته می شود.

نکته مهمی که جهت راه اندازی فیلتر کربنی باید توجه شود این است که در این فیلتر علاوه بر کربن فعال از سیلیس نیز استفاده می گردد که در جذب مواد جامد موجود در آب نقش مهمی را ایفا می کند. به این منظور درون مخزن فیلتر ابتدا لایه ای از سیلیس ریخته شده و روی آن را با کربن فعال می پوشانند.

ساز و کار فیلترهای کربن فعال

ساز و کار فیلترهای کربن فعال

در فیلتر کربن اکتیو، آب ابتدا از شیر ورودی وارد مخزن فیلتر شده و با عبور از لایه های کربن فعال و سیلیس به ترتیب مواد آلی و ذرات جامد معلق از آب حذف می گردد. بنابراین آبی زلال و بدون رنگ و بو از شیر خروجی فیلتر کربنی خارج خواهد شد. این پدیده اصولاً به دلیل جذب مواد آلاینده با بار الکتریکی منفی به سمت ذرات مثبت کربنی رخ می دهد.

باید توجه داشت که با جذب ذرات آلاینده بر روی بستر کربن به مرور زمان لایه ای ژله ای بر سطح آن تشکیل می شود که بازده و عملکرد فیلتر را به شدت کاهش خواهد داد. بنابراین لازم است که پس از مدتی استفاده از فیلتر کربنی، آن را به روش های مختلفی مانند بکواش (شستشوی معکوس) تمیز و احیا نمود.

روش های احیای کربن اکتیو در تصفیه آب

کربن فعال موجود در فیلتر کربنی پس از مدتی استفاده کارایی خود را از دست داده و قادر به حذف بو و رنگ از آب نخواهد بود. در این شرایط با توجه به گران بودن فیلتر کربنی، احیای کربن مقرون به صرفه می باشد. مدت زمان پیش از احیای کربن فعال بسته به میزان و نوع آلاینده های آلی، فعالیت بیولوژیکی در ستون فیلتر، نوع و کیفیت کربن اکتیو مورد استفاده می تواند از 6 ماه تا 5 سال متغیر باشد. اما به طور معمول هر فیلتر کربن فعال گرانوله تا 15 ماه قادر به حذف بو و طعم نامطبوع از آب می باشد و هر کیلوگرم از این کربن می تواند 2000 لیتر آب را از خود عبور داده و تصفیه کند. مهمترین روش هایی که برای احیای کربن فعال استفاده می شود، شامل موارد زیر هستند:

• احیای حرارتی کربن فعال (Thermal Regeneration)

اولین روش مورد استفاده جهت بازیابی کربن اکتیو روش احیای حرارتی کربن است. در این روش کربن اکتیو در یک کوره با درجه حرارت 815 سلسیوس در معرض فرایند اکسیداسیون قرار گرفته و مواد آلی جذب شده از سطح کربن حذف می شوند. طبق مطالب ذکر شده در فرایند احیای حرارتی کربن فعال در کوره حرارتی عملیات زیر انجام می شود:

1. حرارت دهی کربن به منظور حذف مواد آلی جذب شده

2. در فرایند حرارتی کربن اکتیو ممکن است مواد جدیدی در سطح کربن تولید شوند یا روی سطح آن باقی بماند.

3. در مرحله پایانی احیای کربن فعال، ترکیبات ایجاد شده در سطح کربن سوزانده شده و از بین می روند.

روش احیای حرارتی در مقایسه با روش های دیگر دارای مزیت هایی نظیر اتلاف کمتر، عدم خطرات زیست محیطی، بازده عالی و استفاده آسان می باشد. در هر بازیابی کربن فعال تنها 10 درصد از وزن آن از بین می رود، بنابراین پس از هر 10 مرتبه احیای کربن فعال، لازم است که آن را توسط کربن جدید جایگزین نمود. اگرچه احیای کربن فعال به این روش سودمند است، اما دارای معایبی است که سبب افزایش انگیزه برای تحقیق و توسعه جهت یافتن روش های بهتر برای بازیابی کربن شده است.

از آنجایی که اجرای روش احیای حرارتی به بخار آب سوپر هیت (دمای بالاتر از 800 درجه سانتی گراد) و انرژی بسیار بالا نیازمند است، بنابراین استفاده از این روش برای ظرفیت های پایین تر از 500 هزار تن در سال از نظر اقتصادی به صرفه نمی باشد. کوره های مورد استفاده در این روش دارای ظرفیت 5 تا 6 تن در روز هستند که به دلیل ظرفیت بالای خود برای فعالسازی در محل و از نظر اقتصادی مناسب نمی باشند.

• احیای کربن فعال توسط بخار (Steam Regeneration)

در این فرایند از بخار آب جهت احیای کربن فعال استفاده می شود. این عملیات موجب می شود که آلاینده های جذب شده توسط کربن دفع گردد و ظرفیت کربن مجدداً بازیافت شود. باید توجه داشت که در این روش تمام مواد جذب شده توسط کربن حذف نخواهد شد. گازی که معمولاً در این روش برای احیای کربن اکتیو استفاده می شود، بخار آب فوق اشباع می باشد. بدین منظور ابتدا کربن فعال را به مدت 30 دقیقه با آب بکواش (شستشوی معکوس) داده، سپس آن را 3 تا 4 مرتبه با بخار احیا می کنیم. در این روش بخار آب معمولاً دارای دمای بالاتر از 150 سانتیگراد است و قابلیت بالایی در حذف مواد نفتی و روغنی جذب شده توسط کربن از خود نشان می دهد. علاوه بر این، بخار آب می تواند منافذ کربن فعال را منبسط کرده و قدرت جذب کربن اکتیو را به آن بازگرداند. از این روش احیای کربن عمدتاً در کارخانه هایی که دارای خط بخار آب داغ هستند، استفاده می شود.

• احیای کربن فعال به روش شیمیایی (Chemical Regeneration)

در این روش، به منظور اکسیداسیون ترکیبات جذب شده توسط کربن از حلال های شیمیایی در دمای حدود 100 درجه سانتیگراد استفاده می شود. در هر سیکل از این فرایند احیای 5 تا 10 درصد از کربن اکتیو از بین می رود. روش احیای شیمیایی برای ظرفیت های بالا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد، زیرا حلال های شیمیایی معمولاً گران قیمت هستند و با افزایش تناژ کربن به مقدار بالاتری حلال شیمیایی نیازمند می باشیم. فرایند بازیابی شیمیایی به میزان بالای تابع دما است و کنترل دما در این روش از اهمیت بالایی برخوردار است. باید توجه داشت که در کلیه روش های احیای غیر حرارتی کربن فعال مقداری از مواد آلاینده در بستر کربنی باقی می ماند و این مساله سبب انسداد منافذ کربن اکتیو خواهد شد. به این ترتیب ظرفیت جذب کربن به شدت کاهش یافته و کربن به سهولت قابل بازیافت نخواهد بود.

یکی از مزیت های روش احیای شیمیایی کربن فعال، اتلاف پایین کربن در سیکل عملیات احیا می باشد. این ویژگی سبب می شود تا کربن فعال مصرفی به دفعات بیشتری احیا شده و مجدداً مورد بهره برداری قرار گیرد. استفاده از روش شیمیایی معمولاً هنگامی اهمیت بالایی خواهد داشت که مواد جذب شده با سطح کربن اکتیو پیوند قوی ایجاد کرده باشد. در این شرایط با ایجاد واکنش شیمیایی اندرکنش ماده جذب شده و کربن تغییر کرده و امکان احیای آسان تر کربن فعال فراهم می شود.

در فرایند احیای شیمیای کربن اکتیو می توان از اسید کلریدریک نیز استفاده نمود. به این ترتیب که ابتدا به مدت 30 دقیقه کربن را با آب تمیز بکواش کرده، سپس اسید کلریدریک 10 درصد را به کربن اضافه می شود. پس از گذشت 30 دقیقه اسید را تخلیه کرده و کربن را توسط آب بدون کلر شستشو داده می گرد تا اسید باقی مانده از سطح کربن به طور کامل پاک شود.

سوالی دارید؟