تاریخچه کربن فعال

متن مقاله :

کربن فعال اولین بار 2000 سال پیش جهت تصفیه آب بکار برده شد. از آن زمان تا قرن بیستم از کربن فعال به شکل پودری استفاده می شد. در ابتدا از آن برای رنگبری شکر استفاده می شد و امروز یعنی از سال 1930 به بعد برای حذف طعم و بوی بد از آب بطور گسترده ای استفاده می شود. کمکم شکل گرانولی کربن فعال رایج شد که اولین بار از آن در ساخت ماسک های ضد گاز در جنگ جهانی اول استفاده شد و امروزه از آن در تصفیه آب، بازیافت حلالها و ثصفیه هوا استفاده می شود. کربن فعال ساختاری منحصر به فرد و بی نظیر دارد. در واقع ذرات آن سطح وسیعی ایجاد می کنند مثلا یک پوند کربن فعال سطحی برابر با 125 جریب ایجاد می کند (m²1000000=kg 1).

منابع تولید کربن فعال

کربن فعال را می توان از موادی که دارای کربن هستند تهیه نمود. مواد حاوی کربن بسیارند مثلا موادی نظیر زغال سنگ، چوب، لیگنیت، پوسته نارگیل، ترکیبات نفتی و غیره.ویژگیهای کربن فعال عمدتا بوسیله ماده اولیه ساحته شده از آن تعیین می شود.

روش تولید کربن فعال

درکل فرایند تولید کربن فعال به دو قسمت اصلی یعنی کربناسیون و فعال سازی (اکتیواسیون) تقسیم بندی می شود. در مرحله کربناسیون ماده اولیه در حضور یک گاز بی اثر نظیر ازت و بدون حضور اکسیژن حرارت داده می شود تا مواد دیگر موجود ازبین رفته و ساختار کریستالیزه خاص کربن شکل بگیرد. با توجه به اینکه کربن حاصل دارای سطح کمی بوده و حجم منافذ در آن کم می باشد. نیاز به فعال سازی کاملا مشهود است. در این مرحله با توجه به دو مکانیزم عمده کربن را فعال نموده و ساختار منحصر به فرد کربن فعال را بوجود می آورند.

فعال سازی شیمیایی

در این روش ماده اولیه بداخل یک عامل آب زدای قویی نظیر اسید فسفریک (P₂O₅) یا کلرید (ZnCl₂) روی فرو برده می شود سپس بشکل خمیر در آورده شده تا درجه حرارت 500 تا 800 درجه سانتیگراد حرارت داده می شود، کربن فعال شده شسته، خشک و در نهایت بشکل پودر خرد می شود. کربن فعال حاصل از فرایند فعال سازی شیمیایی ساختار منفذ دار «بازی» دارد و برای جذب مولکول های درشت مناسب است. یکی از کاربردهای عمده آن استفاده در رنگبری شربت گلوکز و ساکارز(قند) است.

فعال سازی با بخار (گاز)

این نوع فعال سازی در درجه حرارت 800 تا 1100 درجه سانتیگراد در حضور بخار آب صورت می گیرد. این فرایند شامل چند مرحله است. در مرحله اول با ورود بخار گازگیری انجام شده و بخار جایگزین گازها می گردد. در مرحله بعد واکنشی که معروف به واکنش آب-گاز است رخ می دهد، در این واکنش کربن با آب واکنش داده و مونواکسید کربن و گاز هیدروژن تولید می شود. این واکنش گرما خواه یا اندوترمیک است.

واکنش آب-گاز        گرمای مورد نیاز برای انجام این واکنش توسط دو واکنش گرمازای بعدی یعنی سوختن جزئی CO و H₂حاصل می شود.

کربن فعال شده درجه بندی و الک می شود و مواد خارجی و گردو غبار آن جداسازی می شود. کربن فعال حاصل از روش فعال سازی با بخار ساختار منفذی «ریزی» دارد، در نتیجه برای جذب ترکیبات ریز و کوچک از فازهای مایع و گاز مناسب است. بدلیل اینکه کربن فعال حاصل از روش فعال سازی با بخار دارای pH  بالایی (حدود 10-8) می باشد در بعضی مواد آنرا با یک اسید رقیق تا pH مورد نظر شستشو میدهند. همچنین در بعضی موارد برای کاهش ناخالصی های غیر کربنی که در روش فعال سازی با بخار بالاتر از روش شیمیایی است از مواد اسیدی نظیر اسید نیتریک استفاده می شود. درجه فعال سازی کمتر موجب افزایش ریز منفذها می شود. در صورتیکه درجه فعال سازی بالا درصد منافذ متوسط و درشت را افزایش میدهد.

خواص کربن فعال

سطح کربن فعال غیر قطبی بوده و تمایل بسیاری به جذب مواد غیر قطبی همچون ترکیبات آلی دارد و نسبت به ترکیبات قطبی همچون آب حات آبگریزی داشته و تمایل به جذب آنها ندارد. عمل جذب یک پدیده سطحی می باشد که طی آن ماده جذب شده از طریق انتشار به سطح ماده جاذب منتقل شده و بوسیله پیوندهای واندروالسی به سطح کربن متصل می شود و عمل انتشار به واسطه گرادیان یا اختلاف غلظت بین سطح کربن و توده سیال انجام می گیرد. با توجه به اینکه این نیروها (واندروالسی)ضعیف بوده و قابل برگشت هستند جذب سطحی یا Adsorption را بعنوان فرایندی فیزیکی می شناسیم که توسط عواملی نظیر حرارت، فشار و … این اتصالات شکسته شده و دفع یا Desorption رخ میدهد، از این موضوع استفاده نمده و کربن فعال را پس از مصرف احیاء[1] می کنند.

کربن فعال بدلیل داشتن سطح اکسید شده می توان روی بعضی مواد اثر شیمیایی داشته باشد این موضوع اساس جذب شیمیایی توسط کربن فعال می باشد که در این نوع جذب ساختار شیمیایی ماده جذب شده تغییر می نماید. بقایای مواد گندزدا مانند کلرین و کلرآمین ها بواسطه عمل احیاء کاتالیتیکی توسط کربن فعال حذف شده و از بین می روند. این واکنش شامل انتقال الکترون ها از سطح کربن فعال به این مواد می باشد، در واقع کربن فعال بعنوان یک عامل کاهنده عمل می کند. این واکنش بسیار سریع است و در بستری از کربن فعال تازه در چند اینچ اولیه رخ میدهد. می توان گفت جذب کلرین بصورت خطی در چند ثانیه رخ میدهد در صورتیکه جذب فیزیکی (حذف مواد آلی) در چند دقیقه بصورت خطی می باشد. جذب کلرآمین ها کندتر از کلرین ها می باشد.

عوامل مؤثر در جذب سطحی

ظرفیت جذب مشخص کننده کارآیی و قدرت جذب مواد توسط کربن فعال است و نشان دهنده میزان جذب ماده مورد نظر تا نقطه تعادل است یعنی زمانی که جذب و دفع در سطح کربن به حالت تعادل می رسند. هر چه ظرفیت جذب بالاتر باشد به ازای ماده اولیه ثابت کربن کمتری استفاده می گردد یعنی اینکه در هزینه کربن صرفه جویی شده و همچنین با توجه به اینکه مقداری از فراورده های فرایند شونده در داخل کربن بدام می افتند مصرف کمتر کربن ضایعات مربوط به جذب ماده فرایند شونده را کاهش می دهد.

سینتیک جذب نشان دهنده سرعت جذب است و تاثیر آن بر ظرفیت جذب ناچیز می باشد. هرچه جذب سریعتر صورت بگیرد یعنی زمان فرایند کوتاهتر باشد ظرفیت کاری بالاتر رفته و موجب سود اقتصادی می گردد، پس نیاز به شناسایی کربن فعالی مناسب با ظرفیت جذبی بالا و سرعت جذب مناسب مهمترین پارامتر در طراحی فرایندهای کربن فعال می باشد.

با توجه به اینکه جذب یک فرایند سطحی می باشد ظرفیت جذب کربن به میزان سطح آن بستگی دارد ، افزایش سطح موجب افزایش قدرت جذب کربن می گردد. اما تحقیقات نشا داده که رابطه بین قدرت جذب و میزان سطح رابطه ای خطی نمی باشد. بلکه عوامل دیگری نظیر اندازه منافذ و یکنواختی آنها نیز بر ظرفیت جذب کربن فعال اثر می گذارند.

انجمن جهانی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) منافذ موجود در ترکیبات جاذب را بصورت زیر طبقه بندی نموده است.

ریز منفذها یا Micropores                                                    10 آنگسترومr <

منافذ متوسط یا Mesopores                          250 آنگستروم < r < 10 آنگستروم

منافذ درشت یا Macropores                                             250 آنگستروم r >

منافذ درشت بعنوان ورودی، منافذ متوسط بعنوان مجاری انتقال و منافذ ریز بعنوان محل جذب عمل می کنند.

با توجه به مطالب فوق، اندازه ماده جذب شونده تعیین کننده نوع منفذ لازم برای جذب است مثلا ترکیبات درشت مولکول نظیر پروتئین ها نیاز به منافذ درشت جهت جذب دارد در حالیکه مواد ریز مولکولی نظیر فلزات (ارسنیک، آهن، کادمیوم و غیره) برای جذب نیاز به منافذ ریز دارند و موادی نظیر مواد رنگی بیشتر در ناحیه منافذ متوط و ریز جذب می شوند.

اندازه ذرات کربن پودری در نگاه اول مهم به نظر می رسد، ریز بودن اندازه ذرات بیانگر میزان سطح بالاتر می باشد اما با توجه به ساختار درونی و مشبک کربن فعال این موضوع چندان درست نیست. همچنین ریز بودن بیش از حد ذرات کربن موجب ایجاد مشکلاتی در فیلتراسیون شده و کارآیی فیلترها را بشدت کاهش می دهد.

گفته شد که افزایش دما موجب افزایش پدیده دفع می گردد زیرا فرایند جذب پدیده ای گرمازا است، یعنی افزایش دما موجب شکستن پیوندهای واندروالسی شده و مواد جذب شده دوباره بداخل محلول آزاد می شوند و ظرفیت جذب کربن فعال کاهش می یابد. در سیالات با ویسکوزیته بالا بدلیل اینکه پدیده انتشار مواد به سطح بسختی صورت میگیرد این عامل کنترل کننده سرعت جذب می باشد و در این موارد کاهش ویسکوزیته که می تواند بوسیله افزایش دما صورت گیرد موجب افزایش پدیده انتشار و درنتیجه بهبود جذب می گردد.

نیروی رانشی در پدیده انتقال مواد به سطح کربن فعال را گرادیان یا اختلاف غلظت می دانیم، پس افزایش غلظت ماده مورد نظر در توده محلول موجب افزایش نیروی رانشی شده و ظرفیت جذب را افزایش می دهد. همچنین غلظت بیشتر منجر به غلظت تعادلی بالاتر می گردد.

pH هایی که موجب کاهش حلالیت ماده جذب شونده می شوند ظرفیت جذب را افزایش می دهند. در مورد اسیدهای آلی pH پائین که مانع از یونیزه شدن آنها می گردد جذب آنها را بهبود می دهد. در حالیکه در مواد قلیایی آلی افزایش pH موجب افزایش ظرفیت جذب می شود.

در طول زمان تماس کربن فعال با ماده جذب شونده هر دو پدیده جذب و دفع همزمان صورت می گیرند در ابتدا سرعت جذب بالاتر از دفع بوده و تدریج سرعت دفع بیشتر می شود تا در نقطه ای این دو پدیده به تعادل می رسند، در تعیین مدت زمان تماس بین جاذب و جذب شونده باید تا نقطه تعادل پیش رفت تا بیشترین جذب صورت گیرد، مدت زمان های بیشتر از آن نه تنها اثری بر ظرفیت جذب نداشته بلکه بدلیل افزایش زمان فرایند از لحاظ اقتصادی نامطلوب است.

پارامترهای مهم در انتخاب کربن فعال

عددی یدی

عدد یدی بیانگر میزان تخلخل کربن فعال می باشد که بوسیله جذب ید از محلول حاوی آن اندازه گیری می شود، و بصورت میلی گرم عنصر ید جذب شده به ازاء هر گرم از کربن فعال بیان می شود. با توجه به اندازه مولکول های ید می توان دریافت که این اندیس نمایانگر میزان ریز منفذها در کربن فعال می باشد، هر چه عدد یدی بالاتر باشد فعالیت کربن فعال بویژه در جذب مواد با وزن مولکول کمتر و با قطر کمتر از 20 آنگستروم بیشتر می باشد.

عدد متیلن بلو

مولکول های متیلن بلو قطری در حدود 8 آنگستروم دارند، پس آنها قادر نیستند به منافذ با قطر کمتر از 8 آنگستروم وارد شوند. این اندیس بویژه در صنعت گلوکز قابل استفاده است زیرا حذف مواد تولید کننده رنگ هدف فرایند کربن فعال در این صنعت است که عمدتا هیدروکسی متیل فورفورال (HMF) می باشد مولکول های این ماده قطری در حدود 12 آنگستروم دارند. همچنین بسیار از موادی که در داروسازی و سنتز شیمیایی باید توسط کربن فعال حذف شوند در محدوده جذب متیلن بلو قرار دارند. از لحاظ کلی بیان می شود که عدد متیلن بلو میزان ریز منفذهای دوم (قطر منافذ بین 8 تا 20 آنگستروم)  و منافذ متوسط را نشان میدهد.

عدد کارامل (ملاس)

عبارت است از میزان رنگ جذب شده از محلول حاصل از ملاس. میزان منافذ درشت (قطر بیشتر از 500 آنکستروم) را نشان میدهد. در واقع ظرفیت کربن فعال برای ترکیبات مرکب و پیچیده مانند تاننها را نشان میدهد. این اندیس قدرت رنگبری کربن در صنعت قند و گلوکز را نشان میدهد، همچنین با جذب مولکول های درشت نظیر پروتئین ها که فرایند قهوه ای شدن میلارد را موجب می شوند تشکیل رنگ را کاهش می دهد.

عدد سایش

عدد سایش (سختی) عامل مهمی در نوع طراحی سیستم تصفیه و مچنین طول عمر فیلتر می باشد و عبارتست از میزان مقاومت کربن فعال در مقابل سایش و یا اندازه نسبی ذرات بعد از سایش با یک ماده سخت تر. این مشخصه همچنین نشان میدهد که کربن فعال تا چه اندازه ای در برابر نیروهای سایشی ایجاد شده طی شستشو معکوس در فیلترهای کربنب مقاومت فیزیکی دارد.

طول نیمه کلر زدایی 

طول نیمه کلر زدایی مشخص کننده میزان تمایل کربن فعال به جذب و کاهش کلر می باشد که بصورت عمقی از کربن فعال که میزان کلر را از ppm 5 به ppm 5/2 کاهش میدهد (معمولا برای کربن گرانولی در فیلترهای کربنی استفاده می شود). با توجه به تعریف مشخص است که هرچه طول نیمه کلر زدایی کمتر باشد کارآیی کربن بیشتر است.

میزان خاکستر

علاوه بر اینکه زیاد بودن محتوای خاکستر موجب انتقال فلزات سنگین به محلول تصفیه شونده می شود، خاکستر بالا همچنین موجب کاهش قدرت جذب کربن فعال می گردد. فلزاتی نظیر Fe₂O₃ می توانند باعث کاهش فعالیت کربن فعال در هنگام رنگبری شوند.خاکستر محلول در اسید و محلول در آب از خاکستر کل مهمتر می باشند.

خواص ماده جذب شونده

اندازه مولکولی

هرچه مولکول درشت تر باشد جذب بهتر انجام می شود بشرط اینکه سایر شرایط ثابت باقی بمانند.

قطبیت

مولکول های غیر قطبی تمایل بیشتری به عمل جذب دارند و بیشتر از مولکولهای قطبی جذب می شوند. عمل جذب به علت اتصال مولکولها بوسیله نیروی بین مولکولی انجام می شود و چون مواد غیر قطبی پیوندهای قوی تری با سطح کربن که غیر قطبی است بر قرار می کنند در نتیجه بهتر جذب می شوند.

حلالیت

هرچه حلالیت مولکولها کمتر باشد گرایش به جذب شدن دارند. به همین دلیل عواملی که حلالیت را کاهش می دهند و یا دستیابی به منافذ کربن را افزایش می دهند باعث افزایش کارآیی کربن فعال می شوند.

ساختار مولکولی

مولکولهایی که ساختار منشعب دارند نسبت به مولکولهای بدون انشعاب بیشتر جذب می شوند.

محل گروههای کاری

در صورتیکه گروههای کاری غیر قطبی در دسترس تر باشند ماده حل شده بیشتر جذب می شوند.

میزان آلودگی

هرچه آلودگی بیشتر باشد توانایی جذب کربن فعال بیشتر خواهد بود زیرا مولکولهای آلوده تمایل بیشتری برای نفوذ به داخل منافذ را دارند و بهتر جذب می شوند. با افزایش آلودگی به هر حال کربن فعال سریعتر اشباع می شود بنابراین یالاتراین حد مجاز آلودگی چند صد ppm می باشد. مقادیر بالاتر آلودگی ممکن است به زمان تماس طولانی تری نیاز داشته باشد.

میزان سختی

چون عوامل سختی موجود در آب باعث کم شدن ظرفیت جذبی کربن فعال می شوند بایستی در صورت امکان قبل از فیلترهای کربن فعال از فیلترهای یونی استفاده نمود.

بعضی کاربردهای کربن فعال

استفاده در فاز گازی

1) بازیافت حلالهای آلی مثل استون، کلرید متیلن، اتیل استات

2) در ساختار ماسکهای صنعتی جهت جذب CO₂، الکل ها، آمین ها، مرکاپتان

3) در ساختن برخی از انواع فیلترهای سیگار جهت جذب مواد مضر دود

4) استفاده در دستگاههای هواساز برای جذب بوهای بد هوا

5) بوگیر یخچال برای جذب بوی بد غذاها

و غیره.

استفاده در فاز مایع

1) تصفیه آبهای آشامیدنی که موجب کنترل و کاهش طعم و بوی آب می شود

2) استفاده د رنوشابه سازی جهت حذف کلر و جذب آلاینده ها

3) در صنعت آبجوسازی جهت حذف تری هالومتانها و فنولیک ها

4) بازیافت طلا از باقی مانده حل نشده در سیانید سدیم

5) در پتروشیمی جهت خذف مواد نفتی آبهای زیر زمینی و کاهش هالوژن های آلی چون کلروفرم تتراکلرواتیلن، تری کلرواتان

6) در تصفیه فاضلاب های صنعتی جهت کاهش BOD و COD

7) در استخرهای شنا جهت کاهش ازون اضافه شده و کاهش ترکیبات کلر دار

و غیره.

برچسب ها :

آنتراسیت (Anthracite) چیست؟

متن مقاله :

آنتراسیت (Anthracite)، زغالیست سخت، سیاه و براق که دارای حداقل مقدار آب و مواد فرار و بیشترین مقدار کربن (بین 75 الی 95 درصد) می باشد.کانی آنتراسیت علی رغم دارا بودن مقدار زیاد کربن، به سختی مشتعل می شود و وقتی می سوزد، شعله آبی کوتاه و بدون دود دارد و آخرین فرآورده تغییر و تبدیل مواد گیاهی از طریق سلسله مراحل زغال نارس، لیگنیت (lignite) و زغال بیتومینه (Bituminous) است. در سال 2010 مقدار تولید آن در کل جهان برابر 670 میلیون تن بوده است.


تفاوت کربن اکتیو و آنتراسیت در تصفیه آب چیست؟
بستر آنتراسیت در فیلتر شنی و فیلترهای پیش تصفیه آب و فاضلاب جهت جداسازی مواد معلق به کار گرفته می شود که معمولا بخاطر مراحل تصفیه شیمیائی پیشین و افزودن مواد شیمیائی درشت گردیده و بخاطر سایز بزرگشان قابل جداسازی توسط سنگ های آنتراسیت می باشند. منافذ بیرونی زغال سنگ آنتراسیت بسیار کوچک است لذا جذب مولکولی آن ضعیف بوده و توانایی حذف بسیاری از مولکول های مزاحم در آب (مانند روغنی و مواد فرار) را ندارد. کربن اکتیو گرانولی (GAC) بخاطر بافت فراوری شده خود، توانائی جذب عمقی (Absorption) را داشته و می تواند بو، موادآلی و روغنی را به خوبی حذف نماید. این جذب عمقی باعث می گردد که صرفا با شستشوی معکوس در فیلترها امکان پاک سازی کربن اکتیو میسر نگردد، اما آنتراسیت که صرفا جذب سطحی دارد (Adsorption)، معمولا به راحتی دربکواش پاک سازی می گردد.
ارتفاع بستر فیلترهای شنی و فیلترهای شنی-آنتراسیت همواره پس از چندین مرحله بکواش (شسشتوی معکوس) کاهش می یابد. در فیلترهای شنی تحت فشار، معمولاً افت ارتفاع بستر کمتر است و در صورت طراحی خوب، این افت ارتفاع به حدود 1 الی 2 درصد کل ارتفاع بستر در یک سال می رسد (در عمل حدود 5%).
اما در فیلترهای دو بستره، معمولاً فرار آنتراسیت به میزان 5 الی 7 درصد ارتفاع در سال اتفاق می افتد (در عمل حدود 10 درصد). هرچه قطر و دانسیته آنتراسیت بیشتر باشد (مثلاً قطر 2-3 میلیمتر و دانسیته نزدیک به 900kg/m^3 برای آنتراسیت)، احتمال فرار بستر آنتراسیت در هنگام شستشوی معکوس (بکواش) کمتر خواهد بود. البته طبق رابطه استوکس، تأثیر قطر دانه ها بسیار بیشتر از تأثیر دانسیته آنتراسیت یا سیلیس می باشد.


 کاربرد آنتراسیت در تصفیه آب چیست و چگونه استفاده می شود؟
کارایی آنتراسیت در تصفیه آب و فاضلاب، عملاً حد واسط میان سیلیس و کربن اکتیو (زغال فعال) می باشد. بایستی توجه داشت که سیلیس یک ماده معدنی خالص و کربن اکتیو یک محصول گیاهی فراوری شده می باشد و آنتراسیت زغال طبیعی است که به عنوان یک کانی از زمین و معادن موجود برداشت شده و پس از خرد شدن، آسیاب شدن و بعضاً شسته شدن، بسته بندی و مصرف می گردد. این ماده قادر است کدورت، آهن، منگنز، کلرآزاد، کروم و فلزات سنگین، مواد آلی (فنل و...) و چربی و روغن را از آب حذف و یا میزان آنرا کاهش دهد و معمولاً به همراه سیلیس و گارنت (Garnet) در فیلترهای دو یا چند بستره (Dual Media Filters) (Multi Media Filters) مورد استفاده قرار می گیرد. طراحی کلی فیلترهای دو یا چند بستره نظیر فیلترهای شنی تحت فشار بوده ولیکن در دانه بندی و شستشوی معکوس ملاحظات ویژه ای بایستی صورت پذیرد. غیر از تصفیه آب، از آن می توان به عنوان سوخت در نیروگاهها، صنایع فولادسازی و سوخت درخانه های روستایی استفاده نمود.


آنتراسیت تولیدی شرکت کانی کوبش از مشخصات استاندارد AWWA B100-01 و استاندارد ANSI/NSF61 که شامل موارد زیر می باشد، پیروی می نماید:
• دانه بندی یکنواخت (Gradation)
• پاکی (Cleanliness)
• وزن مخصوص (Specific Gravity)
• سختی M.O.H (M.O.H. hardness) (Measurement of Hardness)
• قابلیت انحلال در اسید (Acid Solubility)


علاوه بر موارد فوق پارامترهای زیر نیز در مورد کیفیت و قیمت آنتراسیت مهم و تاثیر گذار می باشند:
• اندازه ذرات (Particle Size)
• دانسیته ظاهری (Apparent Density)
• دانسیته بالک (Bulk Density)
• میزان خاکستر (Ash Content)
• رطوبت (Moisture)
• سایز ذرات استاندارد (Standard Mesh Size)
دانسیته آنتراسیت حدود 780kg/m^3 می باشد و بسته بندی آنتراسیت تولیدی شرکت کانی کوبش به صورت متعارف در کیسه های 25 کیلویی، 40 کیلویی، 50 کیلویی، 500 کیلویی و یک تنی (کیسه های جامبوبگ Jumbo Bag) می باشد.

برچسب ها :