کربن فعال
کربن فعال (Activated carbon) یا کربن اکتیو به گروهی از مواد کربنی با پوکی و سطح داخلی بالا اطلاق می شود که به دلیل مساحت داخلی قابل توجه، ساختار پوک و منفذی، ظرفیت جذب بالا، قابلیت فعال سازی مجدد سطح و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذب های غیرآلی مانند زئولیتیک، ماده منحصر به فردی می باشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آن ها در جداسازی بو، رنگ، مزه های غیر دلخواه از آب در عملیات های خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا به ویژه در رستوران ها، صنایع غذائی و شیمیائی می باشد. برای مثال سطح خارجی یک گرم از کربن فعال در حدود ۳٬۰۰۰ مترمربع سطح تماس دارد. کربن فعال از پیرولیز مواد کربنی از قبیل چوب، زغال سنگ، هسته یا پوسته میوه ها مانند پوسته نارگیل حاصل می گردد و در مراحل بعدی تحت عملیات فعال سازی قرار می گیرد. پیرولیز مواد کربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکول های غیرآلی می شود که یک ماده پودری کربنی از آن ایجاد خواهد شد. هنگامی که زغال در دمای بسیار زیادی تحت فشار قرار می گیرد، کربن اکتیو به وجود می آید. چرا که در دمای بالا، ساختار داخلی کربن تغییر می کند. به صورتی که اندازه منافذ آن کاهش می یابد و سطح آن افزایش پیدا می کند. در نتیجه این تغییرات، کربن اکتیو به وجود می آید که منافذ بیشتری نسبت به زغال معمولی دارد. جسم تولید شده دارای سطح ویژه و تخلخل بالایی می باشد. سه فرایند اصلی برای فعال سازی کربن در نظر گرفته می شود:
- فعال سازی با بخار
- فعال سازی شیمیایی
- فعال‌سازی با دی اکسید کربن
در میان سه روش بالا فعال سازی با بخار بهترین گزینه به لحاظ زیست محیطی و اقتصادی است در حالی که فعال سازی شیمیایی بیشترین سطح و تخلخل را حاصل می کند. این واکنش شیمیایی شامل انتقال الکترون ها از سطح کربن فعال گرانولی به کلروآمین ها یا کلر باقیمانده است. اشکال استفاده از کربن فعال قبل از واحد اسمز معکوس، جذب سریع کلر در بالای بستر کربن فعال است. بقیه ی بستر بدون هیچ زیست کشی جهت نابودی میکرواورگانیسم ها باقی می ماند. همچنین کربن فعال مواد آلی را در مسیر بستر جذب خواهد کرد. این مواد آلی می توانند غذایی برای باکتری ها باشند؛ بنابراین یک بستر کربن فعال می تواند زمینه ای برای رشد باکتری ها باشد که به آسانی از غشا‌های اسمز معکوس عبور می نماید. به همین ترتیب یک بستر کربنی می تواند با تولید ذرات ریز کربنی تحت یک سری شرایط سبب فولینگ در واحد اسمز معکوس شود.
تولیدکننده کربن فعال
جاکوبی Jacobi: تولید کننده کربن اکتیو، برندی سوئدی است که جزو با کیفیت ترین کربن اکتیوهای جهان محسوب می شود. البته نمونه تقلبی نیز دارد. با این حال کربن جاکوبی اصلی در ایران نیز یافت می شود. کربن اکتیو جاکوبی در گریدهای مختلفی تولید می شوند که پرکاربرد ترین گریدهای آن در ایران گریدهای AQUA 1000 و AQUA 2000 است. 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 جاکوبی Aqua sorb 2000 دارای کاربرد گسترده تری می باشد.
نوریت Norit: برندی هلندی است که جزو با کیفیت ترین کربن اکتیوهای جهان می باشد. نوریت اصلی در ایران یافت می شود.
جاکوبا Jacoba: برندی چینی از تولید کربن اکتیو می باشد (جاکوبا کربن اکتیو بر پایه پوسته نارگیل تولید می‌کند).
انواع کربن فعال
کربن فعال پودری
کربن اکتیو پودری یا پودر کربن فعال سایز کمتر از ۱ میلی متر و قطر متوسط بین ۰/۱۵ – ۰/۲۵ میلی متر دارد. مزیت مهم کربن فعال پودری مقدار بالای سطح فعال در واحد حجم است، اما به دلیل اندازه ریز ذرات افت فشار بالایی را ایجاد می‌کند. کربن فعال پودری به صورت ذرات کربن فعال باقی مانده بر روی غربال مش ۵۰ (۰/۲۹۷ میلی متر) تعریف می شوند. این گروه کربن از مواد ریزتر کربن خرد یا آسیاب شده که ۹۵–۱۰۰٪ آن از غربال ذکر شده عبور می‌کنند، ساخته شده اند. ASTM ذراتی که از غربال مش ۸۰ (۰/۱۷۷ میلی متر) عبور می کنند را در این گروه طبقه بندی می‌کند. کربن پودری در فرایند دسته ای مورد استفاده قرار می گیرد و به مایعی که قصد تصفیه آن را دارید اضافه می شود و بعد از مخلوط شدن طی فرایند ته نشینی و فیلتراسیون حذف می شود.
کربن فعال گرانول
کربن اکتیو گرانول در مقایسه با کربن اکتیو پودری سایز ذرات نسبتا بزرگ تر و در نتیجه سطح خارجی کوچک تر دارند. به دلیل سرعت بالای نفوذ گازها و مایعات این نوع کربن برای جذب بخار مناسب می باشد. کربن گرانول برای تصفیه آب، بوزدایی و جداسازی مواد موجود در جریان ها و نیز در حوضچه های اختلاط سریع استفاده می شوند. کربن فعال گرانول در سایزهای ۲۰×۸، ۴۰×۲۰، ۳۰×۸ برای استفاده در فاز مایع و سایزهای ۶×۴، ۸×۴، ۱۰×۴ برای استفاده در فاز بخار ساخته می شوند. کربن اکتیو گرانول سایز ۴۰×۲۰ از ذراتی تشکیل شده است که در محدوده مش ۲۰ تا ۴۰ هستند و از مش شماره ۲۰ (۰/۸۴ میلی متر) عبور می کنند اما بر روی غربال استاندارد آمریکایی شماره ۴۰ (۰/۴۲ میلی متر) باقی می مانند و عبور نمی کنند. محبوبترین نوع کربن فاز آبی، سایزهای ۳۰×۸ و ۴۰×۱۲ هستند که به دلیل ایجاد تعادل مناسب بین پارامترهای سایز، مساحت و افت فشار در این نوع کربن گرانول می باشد. برای کاربردهای فاز مایع، این ماده در برج ها و ستون های که ماده مایع از بین آن ها عبور می کند و فشرده می شود. کربن فعال گرانول شده برای تولید یا تصفیه یک ماده به طور مداوم در حجم بالا مورد مصرف قرار می گیرد. برای کاربردهای فاز گازی، داشتن جریان کافی با افت فشار قابل قبول در زمینه کربن است. با توجه به این خصوصیات قیمت کربن فعال گرانولی نسبت به بقیه انواع خود کمی گران تر است. همچنین این نوع کربن بلک می تواند دوباره بازیابی شود و مورد استفاده قرار گیرد. این نوع فعال سازی تقریبا در طول دوره زمانی ۱۸ ماه صورت می گیرد.
کربن فعال میله ای یا کبریتی و مدادی (Pellet)
کربن اکتیو میله ای یا کربن اکتیو مدادی به شکل استوانه ای است و قطری بین ۰/۸ تا ۱۳۰ میلی متر دارد. برای تهیه کربن فعال پودری را با یک پیوند دهنده به هم متصل کرده و درون یک بسته استوانه ای شکل قرار می دهند. کربن فعال اکسترود یا کربن فعال استوانه ای ویژگی هایی شامل افت فشار کم، قدرت مکانیکی بالا و میزان غبار کم دارد و به طور عمده برای جذب در فاز گازی استفاده می شوند. کاربرد آن برای جذب در فاز گازی، بازیایی حلال و کنترل گازهای خروجی از اتومبیل است. این ماده به دلیل مقاومت بالا، افت فشار کم و فعالیت در حجم بالا موجب می شود تا در تمام طول عمر وسیله از آن استفاده کرد.
کربن اکتیو در تصفیه آب
در مصارف تصفیه آب و پساب، از دو نوع پودری (به شکل سوسپانسیون) و گرانول (بستر ثابت، پرکولاسیون) با توجه به نوع کاربری آن استفاده می شود. در گذشته، از این ماده برای حذف کلر و مواد ایجاد کننده بو و رنگ در آب استفاده می شد. اخیرا استفاده از این ماده برای تصفیه آب آشامیدنی، آب های زیر زمینی و … استفاده می شود. کربن اکتیو در تصفیه پساب بیولوژیکی برای حذف باکتری و مواد خطرناک نیز قابل استفاده است. همچنین در واحدهای تصفیه پساب و در مرحله سوم از این ماده برای بهبود کیفیت تصفیه و حذف موادی که نسبت به مواد مورد استفاده در تصفیه و روش های آن مقاوم هستند استفاده می شود. مهمترین موادی که توسط کربن فعال (و فیلتر کربن اکتیو) در فرایند تصفیه آب حذف می شوند شامل موارد زیر هستند:
- 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 آن ها می تواند سبب مشکلات زیست محیطی جدی شوند.
- حذف یون کلر (کلرید): نمک های محلول در آب اصولا به شکل کاتیونی یا آنیونی هستند. عمده ترین کاتیون های موجود در آب، یون کلسیم، منیزیم، منگنز و آنیون های مهم آب نیز، یون های بی کربنات، کربنات و هیدروکسید می باشند.
- حذف کلر آزاد: از آن جایی 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.
- حذف نیترات: نیترات یکی از مهمترین مواد ضروری برای رشد گیاهان و منبعی غنی از ازت محسوب می شود. اگر چه 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 در انسان شود.
- حذف ترکیبات آلی نامطلوب مانند COD و BOD از آب: اصطلاحCOD به مقدار اکسیژن لازم جهت تجزیه شیمیایی مواد آلی گفته می شود. BOD نیز 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.
ماده تشکیل دهنده کربن اکتیو
- مواد خام پلیمری (ساخت کربن اکتیو از ضایعات لاستیک و پلاستیک)
- مواد خام کربنی (ساخت کربن اکتیو از ذغال سنگ، تورب و کک نفتی)
- مواد خام سلولزی (ساخت کربن بلک از چوب، پوست پسته، فندق، بادام، پوست گردو و پوست سخت چوبی نارگیل)
کاربردهای کربن فعال
- در پتروشیمی
- در بازیافت طلا
- استخراج فلزات
- تصفیه فاضلاب
- در صنایع غذایی
- در تصفیه آب و هوا
- در صنایع شیمیایی
- در صنعت داروسازی
- اصلاح آب های زیرزمینی
- ذخیره سازی متان و هیدروژن
- تولید کلرید هیدروژن در تاریکی
- پیش تصفیه سیستم اسمز معکوس