توضیحات

کربن فعال دارای میکروتخلخل بالایی است به نحوی که یک گرم از آن دارای سطح ویژه بیشتر از m²3000 (ft²32000) است [۱,۲,۴] که توسط جذب گاز اندازه‌گیری شده است [۱,۲,۵].

زغال قبل از فعال سازی دارای سطح ویژه معادل m²/g 2-5 است [۶,۷]. میزان فعالسازی کافی برای کابردهای خاص زغال را می‌توان با سطح ویژه بالای آن بدست آورد.

شست شوی شیمیایی نیز می‌تواند خواص جذب‌کنندگی آن را بهبود بخشد.

کربن فعال معمولا از ضایعاتی نظیر پوست نارگیل و ضایعات کارخانه کاغذسازی بدست می‌آید [۸].

این منابع پیش از فعال سازی به زغال تبدیل می‌شوند.

هرگاه زغال را از زغال سنگ بدست آوریم [۱,۲] به آن زغال فعال می‌گوییم.

کک فعال نیز از کک بدست می‌آید.

محتوا

۱ موارد استفاده

۱-۱ کاربردهای صنعتی

۲-۱ کاربردهای پزشکی

۳-۱ شیمی تجزیه

۴-۱ کاربردهای محیط زیستی

۵-۱ کاربرد در کشاورزی

۶-۱ خالص‌سازی نوشیدنی‌های الکلی

۷-۱ ذخیره‌سازی سوخت

۸-۱ خالص‌سازی گاز

۹-۱ خالص‌سازی شیمیایی

۱۰-۱ اسکراب (گازشویی) جیوه

۱۱-۱ افزودنی خوراکی

۲ تولید

۳ طبقه‌بندی

۱-۳ کربن فعال پودر شده

۲-۳ کربن فعال گرانولی

۳-۳ کربن فعال اکسترودشده (EAC)

۴-۳ کربن فعال دانه‌ای شکل (BAC)

۵-۳ کربن تلقیح شده

۶-۳ کربن پوشانده شده با پلیمر

۷-۳ کربن بافته شده

۴ خواص

۱-۴ عدد ید[۱]

۲-۴ ملاس[۲]

۳-۴ تانن (جوهر مازو)[۳]

۴-۴ متیلن بلو

۵-۴ کلرزدایی

۶-۴ چگالی ظاهری

۷-۴ عدد سفتی/سایش

۸-۴ مقدار خاکستر

۹-۴ فعالیت کربن تتراکلرید

۱۰-۴ توزیع اندازه ذره

۵ اصلاح خواص و واکنش‌پذیری

۶ مثال‌هایی از جذب

۱-۶ کاتالیست ناهمگن

۷ فعالیت مجدد و احیا

۱-۷ فعال سازی حرارتی

۲-۷ سایر روش‌های فعال سازی

۸ مطالب بیشتر

۹ منابع

موارد استفاده

کربن فعال برای ذخیره‌سازی متان و هیدروژن [۱,۲]، خالص‌سازی هوا، بازیابی حلال، کافئین‌زدایی، خالص‌سازی طلا، استخراج فلزات، خالص‌سازی آب، کاربردهای پزشکی، تصفیه فاضلاب، فیلترهای هوا در دستگاه‌های تنفس مصنوعی، فیلتر موجود در هوای فشرده، سفید کردن دندان، تولید هیدروژن کلرید و کاربردهای دیگر استفاده می‌شود.

کاربردهای صنعتی

یکی از کاربردهای اصلی این ماده در صنعت مربوط به پرداخت فلز[۴] برای خالص‌سازی محلول‌های آب کاری الکتریکی است.

برای مثال این روش بعنوان اصلی‌ترین روش خالص‌سازی برای خارج کردن ناخالصی‌های آلی از محلول‌های آب کاری نیکل شناخته می‌شود.

مواد شیمیایی زیادی به محلول‌های آب کاری اضافه می‌شوند تا کیفیت رسوب‌دهی آن ها و خواصی نظیر صاف بودن، شفاف بودن، انعطاف‌پذیری و غیره را بهبود بخشند.

بدلیل عبور جریان مستقیم و واکنش‌های الکترولیتی اکسیداسیون آند و احیای کاتد، این افزودنی‌های آلی باعث تولید محصولات نامطلوب در محلول می‌شوند.

تجمع بیش از حد آن ها می‌تواند روی کیفیت آب کاری و خواص فیزیکی فلز ته‌نشین شده تأثیر منفی بگذارد.

شست شو با کربن فعال می‌تواند این ناخالصی‌ها را حذف کند و کیفیت آب کاری را به سطح مورد نظر برگرداند.

کاربردهای پزشکی

مقاله استفاده از زغال فعال برای تجویز دارو را بخوانید

کربن فعال برای درمان مسمومیت و اوردوز پس از قورت دادن دارو استفاده می‌شود.

قرص یا کپسول کربن فعال در بسیاری از کشورها بعنوان یک داروی بدون نسخه برای درمان اسهال، سوء هاضمه و نفخ شکم استفاده می‌شود.

اما زغال فعال هیچ تأثیری بر گاز معده و اسهال ندارد و اگر مسمومیت فرد بدلیل عامل‌های خورنده، بوریک اسید و ترکیبات نفتی باشد از لحاظ پزشکی موثر نیست و در برابر مسمویت ناشی از اسید یا بازهای قوی، سیانید، آهن، لیتیم، آرسنیک، متانول، اتانول یا اتیلن گلایکول نیز اصلا موثر نیست [۹].

کربن فعال نمی‌تواند از جذب این مواد به درون بدن انسان جلوگیری کند [۱۰].

این ماده توسط سازمان بهداشت جهانی در لیست داروهای ضروری قرار گرفته است و یکی از ایمن‌ترین و کارآمدترین داروها در سیستم سلامت است [۱۱].

استفاده نادرست از آن (مثلا درون شش‌ها) منجر به بیماری‌های ریوی می‌شود که اگر فورا مورد درمان قرار نگیرد ممکن است حتی کشنده نیز باشد [۱۲].

شیمی تجزیه

کربن فعال ترکیب شده بصورت ۵۰ درصد جرمی/جرمی با سلیت[۵] بعنوان فاز ساکن در جداسازی کروماتوگرافی فشار پایین کربوهیدرات‌ها (مونو، دی، تری-ساکاریدها) با استفاده از محلول‌های اتانول (۵ تا ۵۰ درصد) بعنوان فاز متحرک در روش‌های تحلیلی استفاده می‌شود.

کربن فعال برای استخراج داروهای ضدانعقاد خون (DOAC) مانند دابیگاتران[۶]، آپیکسابان[۷]، ریواروکسابان[۸] و ادوکسابان[۹] از پلاسمای خون مفید است [۱۳].

برای این کار، کربن فعال به صورت قرص‌های ریز در می‌آید که هر قرص حاوی ۵ میلی‌گرم کربن فعال برای شست شوی نمونه‌های ۱ میلی‌لیتری از DOAC است.

از آن جایی که این کربن فعال هیچ تأثیری بر عوامل انعقاد خون، هپارین یا سایر داروهای ضدانعقاد خون ندارد [۱۴]، بنابراین می‌توانیم نمونه‌های پلاسما را از نظر وجود اختلالاتی که تحت تأثیر DOCAها قرار می‌گیرند بررسی کنیم.

کاربردهای محیط‌ زیستی

کربن فعال معمولا در سیستم‌های فیلتراسیون آب استفاده می‌شود. در این شکل، کربن فعال در ردیف چهارم از پایین قرار دارد.

جذب کربن دارای کاربردهای زیادی در حذف آلاینده‌ها از آب یا هوا در فرایندهای صنعتی و میدانی است که این فرایندها عبارتند از:

• پاکسازی مواد سرریز شده
• تصفیه آب زیرزمینی
• فیلتراسیون آب آشامیدنی
• خالص‌سازی هوا
• گرفتن ترکیبات آلی فرار از فرایندهای رنگ‌آمیزی، خشک‌شویی، عملیات‌های توزیع بنزین و سایر فرایندها
• بازیابی ترکیبات آلی فرار (سیستم‌های بازیابی حلال، SRU) از بسته‌بندی انعطاف‌پذیر، فرایندهای روکش‌دار کردن، تبدیل مواد و غیره [۱۵]

حین اجرای لایحه آب آشامیدنی ایمن در سال ۱۹۷۴ در ایالات متحده آمریکا، افسران EPA قانونی را تصویب کردند که سیستم‌های تصفیه آب آشامیدنی را ملزم به استفاده از کربن فعال گرانولی می‌کرد.

به دلیل هزینه بالای این فرایند، قوانین GAC با مخالفت شدید در کشور آمریکا و خصوصا در بخش صنعتی از جمله بزرگ ترین سازمان‌های آب در کالیفرنیا مواجه شدند.

به همین دلیل این آژانس از مواضع خود کوتاه آمد [۱۶].

فیلتراسیون به کمک کربن فعال به دلیل ماهیت چندمنظوره خود به عنوان یک روش موثر برای تصفیه آب شناخته می‌شود.

روش‌ها و تجهیزات خاصی برای فیلتراسیون به کمک کربن فعال وجود دارند که معمولا به آلاینده مورد نظر بستگی دارند [۱۷].

هم‌چنین کربن فعال برای اندازه‌گیری غلظت رادون در هوا نیز استفاده می‌شود.

کاربرد در کشاورزی

کربن (زغال) فعال یک ماده مجاز برای کشاورزان است که می‌توانند از آن برای پرورش دام و تولید شراب استفاده کنند.

این ماده در پرورش دام بعنوان یک حشره‌کش، افزودنی خوراکی، کمک فرآوری غذا، ماده اولیه غیرکشاورزی و ضدعفونی‌کننده استفاده می‌شود [۱۸].

در تولید شراب، کربن فعال به عنوان یک عامل فرآوری استفاده می‌شود تا رنگ دانه‌های قهوه‌ای را از کنسانتره انگور سفید جذب کند [۱۹].

هم‌چنین بعضی مواقع بعنوان اصلاح کننده زیستی استفاده می‌شود.

خالص‌سازی نوشیدنی‌های الکلی تقطیرشده

فرایند Lincoln County را ببینید

فیلترهای کربن فعال (فیلترهای AC) را می‌توان برای فیلتر کردن ودکا و ویسکی از ناخالصی‌های آلی که روی رنگ، مزه و بوی این نوشیدنی‌های الکلی تأثیر می‌گذارند استفاده کرد.

عبور دادن ودکای حاوی ناخالصی از یک فیلتر کربن فعال در دبی مناسب باعث می‌شود تا یک ودکای با مقدار الکل مشابه و عاری از ناخالصی‌های آلی بدست آید که بو و مزه آن نیز موید این نکته است.

ذخیره‌سازی سوخت

تحقیقات بر روی بررسی قابلیت کربن‌های فعال در ذخیره کردن گاز طبیعی [۱,۲] و گاز هیدروژن [۱,۲] انجام شده است.

مواد متخلخل بعنوان یک اسفنج برای انواع گازها عمل می‌کنند.

گاز از طریق نیروهای وان در والس به مواد کربنی جذب می‌شود.

برخی مواد کربنی می‌توانند به انرژی پیوند ۵ تا ۱۰ کیلوژول بر مول دست یابند.

هرگاه گاز در معرض دماهای بالاتر قرار گیرد یا برای انجام کار سوزانده شود و یا در یک پیل سوختی هیدروژنی استفاده شود آنگاه می‌تواند از کربن فعال واجذب شود.

ذخیره‌سازی گاز در کربن فعال به عنوان یک روش مطلوب شناخته می‌شود چون می‌توان گاز را در یک فشار پایین، جرم پایین و حجم پایین ذخیره کرد که به مراتب بهتر از ذخیره کردن آن در مخازن تحت فشار در وسایل نقلیه خاص است.

دپارتمان انرژی ایالات متحده آمریکا اهداف مشخصی را در زمینه تحقیق و توسعه مواد کربنی نانومتخلخل تعیین کرده است.

تمامی این اهداف باید برآورده شوند ولی پروژه‌های زیادی از جمله پروژه ALL-CRAFT هم‌چنان در این زمینه فعالیت می‌کنند [۱,۲,۲۰].

خالص‌سازی گاز

فیلترهای حاوی کربن فعال معمولا در خالص‌سازی هوا و گاز فشرده استفاده می‌شوند تا بخارهای نفتی، بو و سایر هیدروکربن‌ها را از هوا بگیرند.

رایج‌ترین طراحی به کار رفته برای این کار از یک فیلتراسیون یک یا دو مرحله‌ای استفاده می‌کند که در آن، کربن فعال درون بستر فیلتر قرار دارد.

فیلترهای کربن فعال برای حفظ گازهای رادیواکتیو در هوای تحت خلأ از یک کندانسور توربینی راکتور هسته‌ای حاوی آب جوش استفاده می‌شوند.

بسترهای بزرگ پر از زغال می‌توانند این گازها را جذب کنند و در حالی که سریعا به گونه‌های جامد غیررادیواکتیو تبدیل می‌شوند آن ها را حفظ کنند.

این گونه‌های جامد در ذرات زغال به دام می‌افتند در حالی که هوای فیلترشده از زغال رد می‌شود.

خالص‌سازی مواد شیمیایی

کربن فعال در مقیاس آزمایشگاهی برای خالص‌سازی محلول‌های آلی حاوی ناخالصی‌های آلی و رنگی ناخواسته استفاده می‌شود.

فیلتراسیون روی کربن فعال در مقیاس بزرگ برای فرایندهای شیمیایی و دارویی استفاده می‌شود.

در این فرایندها، کربن یا با محلول مورد نظر مخلوط و سپس فیلتر می‌شود و یا در یک فیلتر جاسازی می‌شود.

اسکراب جیوه

کربن فعال القا شده با گوگرد [۲۱] یا ید بطور گسترده برای به دام انداختن جیوه آزاد شده از نیروگاه‌های برق با سوخت زغال سنگ، زباله‌سوزهای پزشکی و از گاز طبیعی در چاه نفت استفاده می‌شود.

کربن یک ماده خاص است که هر کیلوگرم از آن بیش از ۴ دلار آمریکا قیمت دارد.

از آنجایی که کربن فعال اشباع از جیوه معمولا احیا نمی‌شود، دفع آن یک معضل اساسی است [۲۲].

اگر کربن فعال حاوی کمتر از ppm260 جیوه باشد (مانند جیوه به دام افتاده در بتن)، قوانین فدرال ایالات متحده اجازه می‌دهند تا آن را در خاکریزهای مخصوص دفن کنیم.

اما ضایعات حاوی بیشتر از ppm260 جیوه در گروه ضایعات حاوی مقادیر زیاد از جیوه طبقه‌بندی می‌شوند و اجازه نداریم آنها را در این خاکریزها دفن کنیم. این ماده با سرعت ۱۰۰ تن بر سال در گلخانه‌ها و معادن عمیق و رهاشده انباشته می‌شود.

مشکل دفع کربن فعال اشباع از جیوه مختص ایالات متحده نیست.

در هلند، بخش عمده این جیوه بازیابی می‌شود و کربن فعال توسط سوزانده می‌شود که کربن دی‌اکسید را آزاد می‌کند.

افزودنی غذایی

زغال فعال و خوراکی به عنوان یک ماده محبوب در سال ۲۰۱۶ شناخته شده است چون یک مزه دودی و رنگ تیره را به محصولاتی نظیر هات‌داگ، بستنی، پیتزا و نان شیرینی حلقوی (بیگل[۱۰]) می‌دهد.

افرادی که داروهایی نظیر قرص‌های ضدحاملگی و ضدافسردگی را مصرف می‌کنند [۲۴] بهتر است که از مصرف غذاها و آشامیدنی‌های حاوی رنگ‌های خوراکی حاوی زغال فعال پرهیز کنند چون با این داروها تداخل ایجاد می‌کند [۲۵].

فرایند تولید

کربن فعال در واقع کربن تولید شده از منابع کربنی مانند چوب بامبو، پوست نارگیل، برگ درخت بید، چوب، لیف نارگیل، زغال قهوه‌ای، زغال سنگ و زفت نفتی[۱۱] است.

این ماده را می‌توان توسط فرایندهای زیر تولید (فعال) کرد:

۱-فعالسازی فیزیکی: ماده منبع کربن با استفاده از گازهای داغ به کربن فعال تبدیل می‌شود.

سپس هوا تزریق می‌شود تا گازها را بسوزاند و یک کربن فعال دانه‌بندی شده و غبارزدایی شده تولید شود.

این کار معمولا با استفاده از یک یا چند مورد از فرایندهای زیر انجام می‌شود.

• کربن‌دار کردن: مواد دارای کربن در دمای ۶۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد پیرولیز می‌شوند که این فرایند معمولا در یک محیط خنثی با گازهایی نظیر آرگون یا نیتروژن انجام می‌شود.
• فعالسازی/اکسیداسیون: مواد خام یا حاوی کربن در معرض محیط‌های اکسیدکننده (دارای اکسیژن یا بخار آب) با دماهای بالای ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند که معمولا این دما در محدوده ۶۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد است.

۲- فعالسازی شیمیایی: مواد کربنی با برخی مواد شیمیایی خاص تلقیح می‌شوند.

این ماده معمولا یک اسید، باز قوی [۱,۲] یا یک نمک (فسفریک اسید ۲۵%، پتاسیم هیدروکسید ۵%، سدیم هیدروکسید ۵%، کلسیم کلرید ۲۵% و روی کلرید ۲۵%) است [۲۶].

سپس کربن در معرض دماهای بالا (۲۵۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد.

مشخص شده است که این دما باعث باز شدن ماده و ایجاد حفرات ماکروسکوپی بیشتر می‌شود که نتیجه آن فعال سازی کربن است.

فعال سازی شیمیایی بدلیل نیاز به دماهای پایین‌تر، کیفیت بهتر محصول و زمان کمتر مورد نیاز برای فعال سازی ماده به فعال سازی فیزیکی ترجیح داده می‌شود.

طبقه‌بندی کربن فعال

کربن‌های فعال محصولات پیچیده‌ای هستند که طبقه‌بندی آن ها بر اساس رفتار، ویژگی‌های سطحی و سایر معیارهای اساسی امری دشوار است.

اما برخی طبقه‌بندی‌ها بر اساس اندازه آن ها، روش آماده‌سازی و کاربردهای صنعتی آن ها انجام شده است.

کربن فعال پودرشده

شستشو با کربن فعال پودر شده را ببینید

یک میکروگراف از کربن فعال (R1) در زیر تابش نور در یک میکروسکوپ نوری.

به شکل فراکتال مانند ذرات در سطح ویژه بزرگ آن ها توجه کنید.

هر ذره در این شکل، علی‌رغم اینکه دارای عرض حدود ۱/۰ میلی‌متر است، می‌تواند سطح ویژه در حد چندین سانتی‌متر مربع داشته باشد.

کل این شکل یک ناحیه ۱/۱ در ۷/۰ میلی‌متر را نشان می‌دهد و رزولوشن کامل آن در مقیاس ۲۳۶/۶ پیکسل بر میکرومتر است.

در حالت عادی، کربن‌های فعال (R1) به شکل پودر یا گرانول‌های ریز با ابعاد کمتر از ۱ میلی‌متر و قطر متوسط ۱۵/۰ تا ۲۵/۰ میلی‌متر تولید می‌شوند.

به همین دلیل نسبت سطح به حجم بالایی دارند و فاصله نفوذ کوچکی دارند. کربن فعال (R1) به صورت ذرات کربن فعال شده در یک مش‌بندی ۵۰ (یعنی سوراخ ۲۹۷/۰ میلی‌متر) تعریف می‌شود.

کربن فعال پودر شده (PAC) مواد ریزتری هستند.

PAC از ذرات کربن خرد یا آسیاب شده تشکیل شده است که حدود ۹۵ تا ۱۰۰ درصد آن ها از یک شبکه مش‌بندی مشخص عبور می‌کنند.

ذراتی که از اندازه مش‌ ۸۰ (یعنی ۱۷۷/۰ میلی‌متر) و کمتر عبور کنند توسط استاندارد ASTM به عنوان ذرات PAC تعریف می‌شوند.

معمولا از PAC در ظروف مخصوص استفاده نمی‌شود چون افت هد در آن ها بسیار بالاست.

در عوض، PAC معمولا مستقیما به سایر واحدها مانند واحد آب گیری، حوضچه‌های اختلاط سریع، کلایفایرها و فیلترهای جاذبه اضافه می‌شود.

کربن فعال گرانولی

یک میکروگراف از زغال فعال (GAC) در زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی (عکس این آورده نشده)

کربن فعال گرانولی (GAC) دارای اندازه ذره بزرگ تری نسبت به کربن فعال پودر شده است و به همین دلیل سطح خارجی کوچک تری دارد.

بنابراین نفوذ ماده جذب شده عامل مهمی است. این کربن‌ها گزینه خوبی برای جذف گازها و بخارها هستند چون ترکیبات گازی خیلی زود نفوذ می‌کنند.

کربن‌های گرانولی برای فیلتراسیون هوا، تصفیه آب، دفع بو و جداسازی مواد در سیستم‌های جریانی و حوضچه‌های اختلاط سریع استفاده می‌شوند.

GAC را می‌توان به شکل گرانولی یا اکسترود شده بدست آورد.

این کربن برای کاربرد در فاز مایع معمولا دارای اندازه ۸۲۰، ۲۰۴۰ یا ۸۳۰ است و برای استفاده در فاز بخار نیز دارای ابعاد ۴۶، ۴۸ یا ۴۱۰ است.

یک کربن ۲۰۴۰ از ذراتی ساخته شده است که از اندازه مش ۲۰ بر اساس استاندارد ایالات متحده (یعنی ۸۴/۰ میلی‌متر) رد می‌شوند (حدود ۸۵ درصد عبور) ولی از اندازه مش شماره ۴۰ (یعنی ۴۲/۰ میلی‌متر) رد نمی‌شوند (عدم عبور ۹۵ درصدی).

استاندارد AWWA (1992) B604 از اندازه مش ۵۰ (یعنی ۲۹۷/۰ میلی‌متر) به عنوان مینیمم اندازه GAC استفاده می‌کند.

مشهورترین کربن‌های فاز آبی دارای اندازه ۱۲۴۰ یا ۸۳۰ هستند چون توازن خوبی از نظر اندازه، سطح ویژه و اتلاف هد دارند.

کربن فعال اکسترودشده (EAC)

کربن فعال اکسترودشده در واقع ترکیبی از کربن فعال پودر شده یا یک بایندر است که با هم مخلوط شده و درون یک بلوک کربن فعال استوانه‌ای شکل به قطر ۸/۰ تا ۱۳۰ میلی‌متر اکسترود می‌شوند.

این کربن‌ها معمولا برای فاز گاز استفاده می‌شوند چون افت فشار پایین، استحکام مکانیکی بالا و مقدار غبار اندکی دارند.

هم‌چنین این مواد بصورت فیلتر CTO (یعنی فیلتر کلر، مزه، بو) نیز فروخته می‌شوند.

کربن فعال دانه‌ای (BAC)

کربن فعال دانه‌ای شکل (BAC) از زفت نفتی ساخته شده است و دارای قطر ۳۵/۰ تا ۸/۰ میلی‌متر است.

همانند EAC، این کربن نیر دارای افت فشار پایین، استحکام مکانیکی بالا و مقدار غبار اندکی است ولی اندازه دانه کوچک تری دارد.

شکل کروی آن باعث می‌شود تا گزینه مطلوبی برای بسترهای سیالی شده مانند فیلتراسیون آب باشد.

کربن تلقیح شده

کربن‌های متخلخل دارای انواع ترکیبات غیرآلی تلقیح شده مانند ید و نقره هستند.

کاتیون‌هایی نظیر آلومینیوم، منگنز، روی، آهن، لیتیوم و کلسیم نیز برای کاربردهای خاص در کنترل آلودگی هوا خصوصا در موزه و گالری‌ها استفاده شده‌اند.

کربن فعال بارگذاری شده با نقره بدلیل خاصیت ضدباکتریایی و ضدعفونی‌کنندگی به عنوان یک جاذب برای خالص‌سازی آب خانگی استفاده می‌شود.

آب آشامیدنی را می‌توان با تصفیه آب طبیعی توسط مخلوطی از کربن فعال و آلومینیوم هیدروکسید [Al(OH)₃] به عنوان یک عامل انعقادکننده بدست آورد.

کربن‌های تلقیح شده برای جذب هیدروژن سولفید (H₂S) و تیول‌ها نیز استفاده می‌شوند.

سرعت جذب ۵۰ درصد وزنی برای H₂S توسط برخی محققان گزارش شده است.

کربن پوشانده شده با پلیمر

در این فرایند، یک کربن متخلخل را می‌توان با یک پلیمر زیست‌سازگار پوشاند تا یک سطح صاف و تراوا بدون انسداد حفرات ایجاد شود.

کربن بدست آمده توسط این فرایند برای خون‌رسانی[۱۲] مناسب است.

خون‌رسانی در واقع فرایندی است که در آن حجم زیادی از خون بیمار از یک ماده جاذب عبور داده می‌شود تا ترکیبات سمی از آن حذف شوند.

کربن فعال بافته شده

کربن بافته شده

یک فناوری برای عمل‌آوری الیاف رایون[۱۳] به پارچه کربن فعال برای فیلتر کردن کربن وجود دارد.

ظرفیت جذب این پارچه کربنی به مراتب بیشتر از زغال فعال است (نظریه BET) و سطح ویژه آن m²/g 500-1500 و حجم حفره آن cm³/g 8/0- 3/0 است.

به دلیل شکل متنوع کربن فعال می‌توان از آن در جاهای مختلف (ابرخازن‌ها، جاذب بو و غیره) استفاده کرد.

خواص

نان حاوی زغال فعال در سبد فروش یک کشاورز

یک گرم از کربن فعال می‌تواند سطح ویژه‌ای به بزرگی m²500 (یا ft²5400) داشته باشد به نحوی که مساحت m²3000 (یا ft²32000 از آن به راحتی بدست می‌آید) [۲,۴,۵].

آیروژل کربن که گران‌تر است دارای سطح ویژه بالاتری است و در موارد خاص استفاده می‌شود.

ساختار سطح کربن فعال در زیر یک میکروسکوپ الکترونی مشخص می‌شود.

ذرات کربن شدیدا به هم پیچیده شده‌اند و تخلخل متفاوتی را نشان می‌دهند به نحوی که ممکن است نواحی متشکل از سطوح صاف گرافیتی شکل را داشته باشند که به موازات هم قرار دارند [۲] توسط چند نانومتر از هم جدا شوند.

این میکروحفرات می‌توانند شرایط عالی را برای جذب فراهم کنند چون مواد جذب شونده می‌توانند همزمان با سطوح زیادی برهم‌کنش داشته باشند.

بررسی رفتار جذب این مواد معمولا با گاز نیتروژن و در دمای ۷۷ کلوین تحت خلأ انجام می‌شود اما کربن فعال می‌تواند آب مایع را از بخار در ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) و فشار یک ده هزارم اتمسفر تولید کند.

جیمز دوار که فلاسک خلأ به پاس زحمات او نام گذاری شد اکثر وقت خود را صرف مطالعه کربن فعال کرد و مقاله‌ای را درباره ظرفیت آن در جذب گازها منتشر کرد [۲۷].

در این مقاله، او کشف کرد که خنک کردن کربن تا دماهای نیتروژن مایع به آن اجازه می‌دهد تا مقادیر زیادی از گازهای موجود در هوا را جذب کند و با گرم کردن کربن نیز می‌توان این گازها را بازیابی کرد.

هم‌چنین او نشان داد که کربن با پایه پوسته نارگیل برای این کار بسیار مناسب است.

او از اکسیژن به عنوان مثال استفاده کرد و نشان داد که کربن فعال می‌تواند اکسیژن با غلظت اتمسفری (۲۱ درصد) را در شرایط استاندارد جذب کند ولی اگر ابتدا کربن را تا دماهای پایین خنک کنیم می‌توانیم ۸۰ درصد اکسیژن را آزاد کنیم.

از لحاظ فیزیکی، کربن فعال توسط نیروی وان در والس یا نیروی پراکندگی لاندن می‌تواند به مواد بچسبد.

کربن فعال نمی‌تواند بخوبی به موادی نظیر الکل‌ها، دیول‌ها، اسیدها و بازهای قوی، فلزات و اکثر ترکیبات غیرآلی مانند لیتیوم، سدیم، آهن، سرب، آرسنیک، فلور و بوریک اسید بچسبد.

کربن فعال می‌تواند ید را بخوبی جذب کند. ظرفیت ید برحسب mg/g (تست استاندارد ASTM D28) را می‌توان بعنوان شاخصی از سطح ویژه کل استفاده کرد.

کربن مونواکسید نیز بخوبی توسط کربن فعال جذب نمی‌شود.

این ویژگی ممکن است برای استفاده از مواد در فیلترهای دستگاه تنفس مصنوعی، هود یا سایر سیستم‌های کنترل گاز مناسب نباشد چون نمی‌توانیم گاز را تشخیص دهیم و ممکن است برای متابولیسم و سیستم عصبی بدن ما سمی باشد.

لیستی از گازهای صنعتی و کشاورزی جذب شده توسط کربن فعال را می‌توان در مقالات پیدا کرد [۲۸].

کربن فعال را می‌توان بعنوان بستر برای بسیاری از مواد شیمیایی استفاده کرد تا ظرفیت جذب برخی ترکیبات غیرآلی (و ترکیبات آلی مسأله‌ساز) مانند هیدروژن سولفید (H₂S)، آمونیاک (NH₃)، فرمالدهید (HCOH)، جیوه (Hg) و ید رادیواکتیو ۱۳۱ بهبود یابد.

این خاصیت را جذب شیمیایی می‌نامند.

عدد ید

بسیاری از کربن‌ها ترجیحا مولکول‌های کوچک را جذب می‌کنند.

عدد ید اساسی‌ترین پارامتر استفاده شده برای بررسی عملکرد کربن فعال است.

این عدد در واقع مقیاسی از سطح فعالیت کربن فعال است که معمولا برحسب mg/g بیان می‌شود و غالبا در محدوده mg/g 500-1200 است (هرچه این عدد بزرگتر باشد درجه فعالسازی بیشتر است) [۲۹].

این عدد مقیاسی از مقدار میکروحفرات موجود در کربن فعال است (۰ تا ۲۰ انگستروم یا تا ۲ نانومتر) که توسط جذب ید از محلول بدست آمده‌اند.

این عدد معادل سطح ویژه کربن بین m²/g 900-1100 است. هم‌چنین این عدد یک مقیاس استاندارد برای کاربردهای فاز مایع است.

عدد ید به صورت میلی‌گرم ید جذب شده توسط یک گرم کربن در حالتی است که غلظت ید در محلول فیلتر شده در یک غلظت نرمال ۰۲/۰ است (یعنی N02/0).

اساسا عدد ید مقیاسی از ید جذب شده در حفرات است و شاخصی از حجم حفره موجود در کربن فعال مورد نظر است.

کربن‌های استفاده شده برای تصفیه آب معمولا دارای عدد ید در محدوده ۶۰۰ تا ۱۱۰۰ هستند.

این پارامتر غالبا برای تعیین درجه تحلیل‌رفتگی یک کربن استفاده می‌شود.

اما این کار باید با دقت انجام شود چون برهم‌کنش‌های شیمیایی با ماده جذب شده ممکن است روی جذب ید اثر بگذارند و نتایج غلطی را به ما بدهند.

از این رو استفاده از عدد ید به عنوان مقیاسی از درجه تحلیل‌رفتگی یک دانه کربن را می‌توان در صورتی استفاده کرد که هیچ گونه برهم‌کنش شیمیایی با ماده جذب شده نداشته باشد و یک رابطه تجربی بین عدد ید و درجه تحلیل‌رفتگی برای کاربرد مورد نظر تعیین شده باشد.

مولاس

برخی کربن‌ها مهارت خاصی در جذب مولکول‌های بزرگ دارند.

عدد مولاس یا راندمان مولاس مقیاسی از مقدار مزوحفره موجود در کربن فعال (بزرگتر از ۲۰ انگستروم یا ۲ نانومتر) به دلیل جذب مولاس از محلول است.

یک عدد مولاس بزرگ (در محدوده ۶۰۰-۹۵) نشان‌دهنده جذب زیاد مولکول‌های بزرگ است.

رنگ‌زدایی کارامل مشابه عدد مولاس است.

راندمان مولاس بصورت درصد (بین ۴۰ تا ۱۸۵%) و عدد مولاس موازی (۱۸۵%=۶۰۰، ۸۵%=۴۲۵) بیان می‌شود.

عدد مولاس اروپایی (در محدودده ۱۱۰-۵۲۵) رابطه معکوس با عدد مولاس آمریکایی دارد.

عدد مولاس مقیاسی از درجه کلرزدایی یک محلول مولاس استاندارد است که رقیق شده و نسبت به کربن فعال استاندارد شده است.

به دلیل اندازه اجسام رنگی، عدد مولاس بیانگر حجم حفره در دسترس برای گونه‌های جذب شونده مورد نظر است.

از آن جایی که کل حجم حفره ممکن است برای جذب در یک فرایند تصفیه آب در دسترس نباشد و برخی از مواد جذب شده ممکن است وارد حفرات کوچک تر شوند، این عدد یک مقیاس خوب برای یک کربن فعال استفاده شده در کاربرد خاص نیست.

این پارامتر معمولا برای ارزیابی مجموعه‌ای از کربن‌های فعال از نظر سرعت جذب مفید است.

اگر دو کربن فعال با حجم حفره مشابه برای جذب داشته باشیم، کربن دارای عدد مولاس بالاتر معمولا حفرات تغذیه‌کننده بزرگ تری دارد که باعث انتقال بهتر ماده جذب شونده به درون فضای جذب می‌شود.

تانن

تانن‌ها مخلوطی از مولکول‌های با اندازه بزرگ و متوسط هستند.

کربن‌های دارای ترکیبی از ماکرو و مزوحفرات می‌توانند این مواد را جذب کنند.

توانایی یک کربن در جذب تانن بصورت ppm بیان می‌شود (معمولا در محدوده ۲۰۰ تا ppm362).

متیلن بلو

برخی کربن‌ها دارای یک ساختار مزوحفره‌ای (۲۰ تا ۵۰ انگستروم یا ۲ تا ۵ نانومتر) هستند که می‌توانند مولکول‌های با اندازه متوسط مانند رنگ متیلن بلو را جذب کنند.

جذب متیلن بلو برحسب g/100g بیان می‌شود (معمولا در محدوده g/100g 11-28 است).

کلرزدایی

برخی کربن‌ها بر اساس طول نیمه عمر کلرزدایی خود بررسی می‌شوند که راندمان حذف کلر توسط کربن فعال را اندازه‌گیری می‌کند.

این طول نیمه عمر در واقع عمق کربن مورد نیاز برای کاهش ۵۰ درصدی غلظت کلر است.

یک طول نیمه عمر پایین نشان‌دهنده عمل کرد بهتر کربن فعال است [۳۰].

چگالی ظاهری

چگالی جامد یا اسکلتی کربن‌های فعال معمولا در محدوده kg/m³ 2000-2100 (یا lbs/ft³ 125-130) است.

اما بخش عمده‌ای از فضای بین کربن فعال معمولا از هوا تشکیل شده است و به همین دلیل چگالی ظاهری آن پایین‌تر و در محدوده kg/m³ 400-500 (یا lbs/ft³ 25-31) خواهد بود [۳۱].

چگالی بالاتر می‌تواند فعالیت حجم بیشتری را فراهم کند و معمولا نشان دهنده کربن فعال با کیفیت بهتر است.

برای تعیین چگالی ظاهری کربن فعال از تست استاندارد ASTM D 2854-09 (2014) استفاده می‌شود.

عدد سفتی/سایش

این عدد در واقع مقیاسی از مقاومت کربن فعال نسبت به سایش است.

این عدد شاخص مهمی از حفظ یکپارچگی فیزیکی کربن فعال و تحمل نیروهای ناشی از اصطکاک توسط آن است.

سفتی کربن فعال به ماده خام استفاده شده برای ساخت آن و سطح فعالیت آن بستگی دارد.

مقدار خاکستر

خاکستر باعث کاهش فعالیت کلی کربن فعال می‌شود و راندمان فعال سازی مجدد آن را کاهش می‌دهد.

این راندمان به ماده خام استفاده شده برای تولید کربن فعال (مانند نارگیل، چوب، زغال سنگ و غیره) بستگی دارد.

اکسیدهای فلزی (Fe₂O₃) می‌توانند از کربن فعال رد شوند و تغییر رنگ دهند.

مقدار خاکستر محلول در آب/اسید پارامتر مهم‌تری از مقدار خاکستر کل است.

مقدار خاکستر محلول می‌تواند برای پرورش‌دهندگان ماهی بسیار مهم باشد چون اکسید فریک می‌تواند رشد جلبک را تسریع بخشد.

یک کربن با مقدار کربن محلول پایین باید برای مخازن مخصوص آبسنگ و ماهی‌های آب تازه استفاده شود تا از مسمومیت فلزات سنگین و رشد بی‌رویه گیاهان/جلبک جلوگیری شود.

تست استاندارد ASTM D2866 برای تعیین مقدار خاکستر موجود در کربن فعال استفاده می‌شود.

فعالیت کربن تتراکلرید

اندازه‌گیری تخلخل یک کربن فعال توسط جذب بخار اشباع از کربن تتراکلرید

توزیع اندازه ذره

هرچه اندازه ذرات یک کربن فعال ریزتر باشد، دسترسی آن ها به سطح ویژه بهتر خواهد بود و سینتیک جذب با سرعت بیش تری انجام می‌شود.

در سیستم‌های فاز بخار، این ویژگی باید در مقابل افت فشار قرار داده شود چون روی هزینه انرژی اثر می‌گذارد.

توزیع دقیق اندازه ذره می‌تواند مزایای عملیاتی زیادی را داشته باشد.

اما در حالتی که از کربن فعال برای جذب مواد معدنی نظیر طلا استفاده می‌کنیم، اندازه ذره باید در محدوده ۴/۱ تا ۳۵/۳ میلی‌متر (۰۵۵/۰ تا ۱۳۲/۰ اینچ) باشد.

کربن فعال دارای اندازه ذره کمتر از ۱ میلی‌متر برای شست شوی این مواد مناسب نیست.

اصلاح خواص و واکنش‌پذیری

خواص اسید-بازی، اکسیداسیون-احیا و جذب‌کنندگی مواد شدیدا به ترکیب‌بندی گروه‌های عاملی سطحی بستگی دارند [۳۲].

سطح کربن فعال متداول بسیار فعال است و می‌تواند با اکسیژن موجود در جو و پلاسما [۳۳-۴۰] و کربن دی‌اکسید [۳۷] و اوزون [۴۴-۴۶] دچار اکسیداسیون شود.

اکسیداسیون در فاز مایع توسط معرف‌های زیادی (مانند HNO₃، H₂O₂، KMnO₄) انجام می‌شود [۴۷-۴۹].

تشکیل تعداد زیادی از گروه‌های اسیدی و بازی روی سطح کربن اکسید شده برای جذب و خواص دیگر باعث می‌شود تا شدیدا با کربن اصلاح نشده متفاوت باشند [۳۲].

کربن فعال را می‌توان با محصولات یا پلیمرهای طبیعی [۵۰,۵۱] نیتروژن‌دار کرد و یا آن را با عامل‌های نیتروژن‌دار فرآوری کرد [۵۲-۵۴].

کربن فعال می‌تواند با کلر [۵۵,۵۶]، بروم [۵۷] و فلوئور [۵۸] برهم‌کنش داشته باشد.

سطح کربن فعال را مانند سایر مواد کربنی می‌توان با پرفلوروپلی‌اتر پراکسید [۵۹] در یک فاز مایع یا گونه‌های فلورآلی توسط روش CVD شست شو داد تا فلورآلکیل‌دار شود.

چنین موادی دارای آب گریزی و پایداری شیمیایی بالا هستند و رسانایی الکتریکی و حرارتی خوب آن ها باعث می‌شود تا گزینه خوبی برای استفاده در کاتد ابرخازن‌ها باشند [۶۱].

گروه‌های عاملی سولفنیک اسید را می‌توان به کربن فعال وصل کرد تا استاربون[۱۴] ایجاد شود که می‌تواند فرایند استردار شدن اسیدهای چرب را بصورت گزینشی کاتالیستی کند [۶۲].

تشکیل چنین کربن‌های فعالی از پیش‌ماده هالوژن‌دار باعث می‌شود تا فعالیت کاتالیستی بهتری داشته باشند که حاصل افزایش پایداری این کربن‌ها توسط هالوژن‌های باقی‌مانده روی سطح آن ها است [۶۳].

گزارش شده است که می‌توان کربن فعال را با سایت‌های سوپراسیدی گرافت‌دار شده مانند CF₂SO₃H سنتز کرد [۶۴].

برخی از خواص شیمیایی کربن فعال به حضور پیوندهای دوگانه کربن بر روی سطح آن نسبت داده شده است [۴۶,۶۵].

نظریه جذب Polyani یک روش مشهور برای آنالیز جذب گونه‌های آلی مختلف روی سطح این مواد است.

مثال‌هایی از جذب مواد

کاتالیست ناهمگن

رایج‌ترین جذب شیمیایی در صنعت زمانی رخ می‌دهد که یک کاتالیست جامد با یک خوراک گازی شکل (واکنش‌دهنده‌ها) برهم‌کنش داشته باشد.

جذب واکنش‌دهنده‌ها روی سطح کاتالیست باعث ایجاد یک پیوند شیمیایی می‌شود که چگالی الکترون در اطراف مولکول واکنش‌دهنده را تغییر می‌دهد و به آن اجازه می‌دهد تا دچار واکنش شود که در حالت عادی این کار امکان‌پذیر نیست.

فعال سازی مجدد و احیا

بزرگ‌ترین واحد فعال سازی مجدد کربن فعال که در Feluy بلژیک قرار دارد.

مرکز فعال سازی مجدد کربن فعال در Roeselare بلژیک

فعال سازی مجدد یا احیای کربن فعال شامل برگرداندن ظرفیت جذب کربن فعال اشباع شده توسط واجذب آلاینده‌های جذب شده روی سطح آن است.

فعال سازی مجدد بصورت حرارتی

رایج‌ترین روش فعال سازی مجدد کربن فعال که در فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود فعال سازی حرارتی آن است [۶۶].

این فرایند معمولا دارای سه مرحله زیر است [۶۷]:

• خشک کردن جاذی در دمای حدود ۱۰۵ درجه سانتی‌گراد (۲۲۱ درجه فارنهایت)
• واجذب مواد در دمای بالا (۵۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد یا ۹۳۲ تا ۱۶۵۲ درجه فارنهایت) و تجزیه آن ها در یک محیط خنثی
• گازدار کردن مواد آلی باقی‌مانده توسط یک گاز غیراکسنده (بخار آب یا کربن دی‌اکسید) در دماهای بالا (۸۰۰ درجه سانتی‌گراد یا ۱۴۷۰ درجه فارنهایت)

مرحله حرارت‌دهی از ماهیت گرمازای جذب استفاده می‌کند و منجر به دفع، کراکینگ نسبی و پلیمریزاسیون ترکیبات آلی جذب شده می‌شود.

مرحله آخر باعث حذف ترکیبات آلی باردار باقی‌مانده در ساختار متخلخل کربن از مرحله قبل می‌شود و ساختار کربن فعال را مجددا احیا می‌کند تا خواص اولیه سطح آن بدست آید.

پس از این فرایند، ستون جذب را می‌توان مجددا استفاده کرد.

در هر چرخه جذب احیای حرارتی کربن فعال چیزی حدود ۵ تا ۱۵ درصد وزنی از بستر کربن سوزانده می‌شود که باعث کاهش ظرفیت جذب آن می‌شود [۶۸].

احیای حرارتی کربن فعال فرایندی است که به انرژی زیادی نیاز دارد چون استفاده از دماهای بالا در آن باعث می‌شود تا از لحاظ انرژی و تجاری یک فرایند گران تلقی شود [۶۷].

واحدهایی که این فرایند را بر روی کربن فعال انجام می‌دهند باید ابعاد مشخصی داشته باشند تا از لحاظ اقتصادی مقرون بصرفه باشند.

به همین دلیل معمولا سایت‌های کوچک تصفیه ضایعات سعی می‌کنند تا کربن فعال خود را به واحدهای مخصوص بفرستند تا آن را احیا کنند [۶۹].

سایر روش‌های احیا

نگرانی‌های موجود درباره انرژی و هزینه بالای فرایند احیای حرارتی کربن فعال باعث شده تا محققان بدنبال روش‌های جایگزین باشند تا اثرات زیست‌محیطی چنین فرایندهایی را کاهش دهند.

روش‌های احیای زیادی برای این کار در مقالات علمی معرفی شده‌اند و برخی از آن ها در صنعت نیز استفاده شده‌اند. این روش‌های جایگزین عبارتند از:

• فرایندهای TSA (جذب سطحی با تناوب حرارت) و یا PSA (جذب سطحی با تناوب فشار): از طریق انتقال حرارت جابجایی با استفاده از بخار آب [۷۰]، گاز داغ و بی‌اثر (۱۵۰ تا ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد یا ۳۰۲ تا ۴۸۲ درجه فارنهایت) [۷۱] یا احیای کربن در شرایط خلأ (ترکیبی از فرایندهای TSA و PSA) [72]
• MWR (احیا توسط امواج ریز) [۷۳]
• احیای شیمیایی و به کمک حلال [۷۴]
• احیای میکروبی [۷۵]
• احیای الکتروشیمیایی [۷۶]
• احیا توسط التراسونیک [۷۷]
• اکسیداسیون در هوای مرطوب [۷۷]

برای اطلاعات بیشتر موارد زیر را بخوانید:

شستشو با زغال فعال

بیوچار (زغال زیستی)

زغال بامبو

زغال سفید

زغال استخوانی[۱۵]

فیلتر کردن کربن

کربوکاتالیست

پلیمر میکرومتخلخل مزدوج شده

ذخیره‌سازی هیدروژن

فرایند Kværner

سیستم بازیابی بخارهای فرار حین سوختگیری

پاورقی ها

[۱] Iodine number

[۲] Molasses

[۳] Tannin

[۴] Metal finishing

[۵] Celite

[۶] Dabigatran

[۷] Apixaban

[۸] Rivaroxaban

[۹] Edoxaban

[۱۰] Bagel

[۱۱] Petroleum pitch

[۱۲] Hemoperfusion

[۱۳]

[۱۴] Starbon

[۱۵] Bone char