کربن فعال چیست؟
کربن فعال یا ذغال اکتیو (به انگلیسی: Actived Carbon) یا به عبارتی دیگر زغال اکتیو یک ماده شیمیایی (کربن) است که با دی اکسیدکربن یا بخار فوق گرم در دمای بسیار بالا فعال شده است. این ماتریکسی از منافذ ریز در کربن ایجاد می‌کند که سطح آن را افزایش می‌دهد و مکان‌های بیشتری برای به دام افتادن مولکول‌ها ایجاد می‌کند. این همان چیزی است که کربن را به یک فیلتر موثر تبدیل می‌کند. فیلترهای کربن فعال نیز اغلب تحت عملیات شیمیایی قرار می‌گیرند تا توانایی خود را در به دام انداختن آلاینده‌های خاص افزایش دهند. فیلترهای فعال به ویژه در فیلترهای مولکولی (که گاهی اوقات به عنوان فیلترهای شیمیایی یا فیلترهای فاز گاز شناخته میشوند) مورد استفاده قرار می‌گیرند. کربن فعال معمولاً از تکنیکی به نام “جذب” استفاده می‌کنند. به عبارت ساده، این به معنای چسباندن مولکول‌ها به موادی با سطح بسیار زیاد است. ساختار کربن فعال شامل میلیون‌ها منافذ میکروسکوپی است که در آن گازها وارد شده و به مایع روی سطح کربن متراکم میشوند. یک پوند کربن بیش از شش میلیون فوت مربع مساحت دارد که به کربن اجازه می‌دهد کارایی جذب گاز خود را برای مدت طولانی، تا چهار سال در برخی از برنامه های HVAC حفظ کند.
کربن اکتیو گرانولی Granular Activated Carbon
کربن اکتیو گرانول (Granular Activated Carbon) یا کربن فعال گرانول، به‌طور کلی یک ماده تصفیه کننده آب است که برای حذف آلاینده‌های معمولاً آلی و شیمیایی در آب استفاده می‌شود. این نوع کربن فعال در قالب دانه‌های کوچک تولید می‌شود و میتوان از آن به عنوان فیلتر در سیستم‌های تصفیه آب استفاده کرد.
استفاده از کربن فعال گرانول به عنوان فیلتر می‌تواند برخی از آلاینده‌های آب را مانند بو، مزه غیرمطلوب و مواد شیمیایی آلی حذف کند. این ماده قادر است آلاینده‌ها را جذب کند و در سطح داخلی ذخیره کند. همچنین، کربن اکتیو گرانول می‌تواند آلاینده‌هایی مانند سولفید هیدروژن و کلر را نیز حذف کند.
کربن اکتیو گرانول از موادی مانند پوسته نارگیل، زغال‌سنگ، زغال‌سنگ نارس و چوب ساخته شده است. این مواد ابتدا آماده میشوند و سپس تحت یک فرایند فعال‌سازی قرار می‌گیرند تا سطح داخلی کربن را فعال کنند. در این فرایند، مواد شیمیایی خاصی به کربن اضافه میشوند تا ویژگی جذب آن افزایش یابد.
کربن فعال گرانول باید دوره‌ای تعویض شود تا توانایی جذب آلاینده‌ها حفظ شود. نحوه تعویض و زمان تعویض آن بسته به سطح آلاینده‌ها و مصرف آب متغیر است.
در کل، کربن اکتیو گرانول یکی از ابزارهای موثر و پرکاربرد در تصفیه آب است که می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی برخی آلاینده‌های آب را حذف کند و کیفیت آب را بهبود بخشد.
کربن اکتیو میله ای یا اکسترود EAC
کربن اکتیو میله ای یا اکسترود (EAC)، موادی هستند که از کربن فعال در فرم استوانه ای یا میله ای ساخته میشوند و عمدتاً برای جذب ترکیبات گازی در فرآیندهای تصفیه استفاده میشوند. علاوه بر این، کربن فعال زغال چوب ACC نیز در برخی از صنایع مورد استفاده قرار میگیرد. در مقابل، این نوع کربن فعال ها ساختاری شبیه الیاف دارند و برای تصفیه آب استفاده نمیشوند.
کربن اکتیو پودری powdered activated carbon
کربن فعال پودری نام گرفته از کربن فعالی است که دارای ذراتی با اندازه کوچکتر از 0.075 میلیمتر است. برخی سازمان‌ها تعریف‌های دیگری برای اندازه ذرات کربن فعال پودری ارائه کرده‌اند، اما به طور کلی هرگاه ذرات آن اکثراً کوچکتر از 0.15 میلیمتر باشند، میتوان آنرا کربن فعال پودری نامید.
کربن فعال پودری یک جاذب بسیار قدرتمند است که به خاطر ساختار پرمسام و متخلخل خود برای تصفیه و جذب ترکیبات آلی و غیرآلی به کار می‌رود. این جاذب عموماً از مواد آلی مانند پوسته‌های سخت سبزیجات، پوسته‌های پسته و سایر مواد طبیعی به دست می‌آید.
فهرست مطالب
تاریخچه کربن اکتیو
به نظر می‌رسد اولین استفاده از کربن فعال احتمالاً توسط انسان ماقبل تاریخ با هدف کاملاً متفاوتی انجام شده است. حذف ناخالصی‌های فلز ذوب شده برای تولید برنز. مانند انسان عصر برنز، مصریان باستان نیز جنبه‌ای از کربن را کشف کردند که کاملاً با فیلتر هوا ارتباطی ندارد. این بار به عنوان یک ماده نگهدارنده.
اما مصری‌ها دریافتند که کربن را میتوان بیش‌تر از یک ماده نگهدارنده استفاده کرد. اولین استفاده ثبت شده از کربن برای مقاصد پزشکی از پاپیروس‌های مصری در حدود 1500 سال قبل از میلاد مسیح است. حدود 400 پ.م. هندوها و فنیقیهای باستان خواص درمانی کربن فعال را کشف کردند و شروع به استفاده از آن برای تصفیه آب کردند. اخیراً در دهه 1700 از کربن به عنوان مادهای مفید برای کنترل بوهای ناشی از زخم‌های قانقاریا یاد می‌شود و همچنین برای مشکلات معده نیز تجویز و مورد استفاده قرار می‌گرفت.
در اواسط دهه 1800، کربن به عنوان یک درمان برای بسیاری از شرایط پزشکی در همه‌جا حاضر شده بود. و در سال 1857، یک جراح ارتش به نام جیمز برد خاطرنشان کرد: «کربن مخلوط شده با پودر سوخاری یا مخمر از دیرباز مواد مورد علاقه برای تشکیل دارو در میان جراحان ارتش و نیروی دریایی بوده است. کربن اکتیو همچنین در عمل بیمارستانی به عنوان یک کاربرد برای از بین بردن زخم‌ها و زخم‌های قانقاریا ویژگی بالایی پیدا کرده است و اخیراً این ماده با تسکین درد، اصلاح فوتر (بوهای مرتبط با بیماری) و تسهیل در موارد متعددی از سرطان باز تسکین یافته است. در جنگ جهانی اول، ماسک‌های گاز از کربن برای فیلتر کردن برخی از گازهای مرگبار استفاده شده علیه سربازان استفاده می‌کردند، اما تولید و استفاده از کربن فعال تنها پس از جنگ جهانی دوم آغاز شد و در نهایت منجر به توسعه فیلترهای هوا و آب کربن فعال مدرن شد. . تا پایان قرن بیستم، کربن فعال در کاربردهای مختلف در هر محیط بهداشتی مدرن، از جمله برای پانسمان زخم، در واحدهای دیالیز کلیه، برای درمان بیش از حد دارو و درمان کم خونی در بیماران سرطانی استفاده شد.
کاربردهای کربن فعال
از کربن فعال در موارد و فرایندهای زیر استفاده می‌شود:
- ذخیره سازی متان و هیدروژن
- استخراج فلز
- تصفیه هوا
- استخراج فلز
- تصفیه آب
- داروسازی
- تصفیه فاضلاب
- فیلترهای هوا در ماسک‌های گاز و دستگاه تنفس
- فیلترهای موجود در هوا فشرده
- سفید کردن دندان‌ها
- تولید کلرید هیدروژن در تاریکی
نحوه عملکرد ذغال فعال یا کربن اکتیو
ذغال فعال، مواد ارگانیک را از محیط پیرامونش جذب نموده، تا عمل انتقال آلاینده از فاز مایع به فاز جامد، اتفاق افتد. نیروی جاذبه موجب ایجاد یک پیوند و اتصال بین آلاینده و کربن و در نتیجه چسبیدن آن‌ها به یکدیگر می‌شود. و همچنین، باکتری‌ها به سطح خارجی ذغال کربن اکتیو، چسبیده شده و بخشی از آلاینده‌ها را جذب خود می‌کنند. این جذب، منجر به پخش یک گاز یا ترکیب در شبکه متخلخل ذغال اکتیو یا کربن اکتیو می‌شود.
نحوه جذب آلاینده ها توسط ذغال اکتیو
تماس ذرات آلاینده و غیر مفید محلول در مایع با ذرات ذغال فعال شده
پخش شدن ذرات آلاینده و غیر مفید در شبکه متخلخل زغال فعال شده
ذرات آلاینده به ذغال، جذب شده و یک پیوند برگشت ناپذیر را به وجود می‌آورند.
خصوصیات و مشخصات کربن اکتیو
برخی از ویژگی‌ها و مشخصات منحصر به فرد کربن اکتیو یا ذغال فعال، به شرح زیر خواهد بود.
- دارای ساختار و اجزای متخلخل
- دارای سطح فعال بالا
- دارای ظرفیت جذب بالا
- دارای قابلیت باز یافت و فعال سازی دوباره
- قابلیت هدایت الکتریکی بالا
- دارای پایداری و مقاومت زیاد
- مقرون به صرفه بودن و هزینه مناسب
نقش کربن اکتیو در ذخیره سوخت
بررسی‌ها در زمینه توانایی‌ها و خصوصیات کربن اکتیو نشان داده است که مواد متخلخل به عنوان جاذب برای گازهای متنوع عمل می‌کند. گاز مورد نظر به ماده کربنی، به وسیله نیروهای واندروالسی جذب خواهد شد. و بعد از آن، هنگامی که در معرض دمای بالاتر قرار گیرد، امکان دفع وجود دارد. یا اینکه برای تولید کار یا به جهت استخراج گاز هیدروژن برای استفاده در پیلهای سوختی هیدروژنی سوزانده می‌شود.
مزیت های استفاده از کربن اکتیو در تصفیه فاضلاب ها
- این کربن، قادر به جذب کلیه مواد آلی در سطح بالاست.
- با استفاده از کربن رنگ و بو از آب فاضلاب دفع خواهد شد.
- مواد روغنی که در سیستم بیولوژیکی ایجاد اشکال می‌کند، به وسیله کربن جدا سازی خواهد شد.
- مواد آلی مضر، مانند فنل و سیانور و ترکیبات سمی به کمک کربن حذف می‌شود.
معایب استفاده از کربن اکتیو در تصفیه فاضلاب ها
- این روش تصفیه در فاضلابها کمی گران و پر هزینه خواهد بود.
- سهل انگاری در این عملیاتی که نیاز به دقت فراوارن دارد، موجب از کار افتادن سیستم تصفیه خواهد شد.
شرایط و فاکتور های مهم برای جذب مناسب گاز ها و بخار ها توسط کربن اکتیو
کربن‌های فعال با داشتن شرایط زیر می‌توانند بهترین جاذب، برای گازها و بخارها باشند.
- با آغشته نمودن کربن فعال با ید، میتوان بخارات جیوه را حذف کرد.
- با آغشته نمودن کربن فعال با برخی از اکسیدهای فلزی، میتوان گازهای اسیدی را حذف نمود.
- با آغشته نمودن کربن فعال با برخی نمکهای فلزی، میتوان آمونیاک را جدا سازی نمود.
- با آغشته نمودن کربن اکتیو با مواد قلیایی برای کنترل گازهای اسیدی نظیر دی اکسید گوگرد و سولفید هیدروژن کلر، میتوان استفاده کرد.
- با آغشته نمودن کربن فعال با اسید فسفریک یا نمک آن، میتوان برای کنترل آمونیاک استفاده نمود.
مراحل حذف آلاینده پس آب ها توسط کربن اکتیو
- حذف سرب توسط کربن فعال یا ذغال اکتیو
- حذف آمونیاک توسط کربن فعال یا کربن اکتیو
- جذب فلزات سنگین در پساب، توسط کربن اکتیو
- حذف نیترات توسط کربن فعال
- حذف سیانید توسط کربن اکتیو
- حذف کروم توسط کربن فعال
- حذف جیوه توسط کربن فعال