کربن فعال چیست؟

کربن فعال (زغال فعال) – کربن اکتیو یا کربن بلک (Activated Carbon) شکلی از کربن است که بر اثر عملیات پردازش، پوکی و سطح داخلی آن افزایش می‌یابد. این ترکیب 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 جاذب‌‌های غیرآلی مانند زئولیت، ماده‌ی منحصر به‌ فردی می‌‌باشد. این ماده، در حقیقت شکل غیرگرافیتی کربن با فضاهای داخلی متخلخل و میکروکریستالی است.

کربن فعال بعنوان یک جاذب با ظرفیت جذب بالا و قیمت پائین، کاربردهای بسیار فراوانی را در فرآیندهای جذب از فاز مایع و یا فاز گاز یافته است. از جمله کاربردهای این ماده در جذب از فاز مایع می‌توان به رنگ‌بری از محلول شکر، تصفیه آب آشامیدنی، تصفیه پس‌آب و در جذب از فاز گاز به استفاده در ماسک ­های گاز و سیستم های بازیافت حلال اشاره نمود. مواد اولیه مختلفی را می‌توان بعنوان ماده خام برای تولید این محصول به کار گرفت که از میان آن‌ها مواد خام سلولزی نظیر چوب، پوست نارگیل، هسته میوه‌ها و سایر ضایعات کشاورزی، مواد خام کربنی نظیر زغال سنگ، کک نفتی، قیر قطران زغال سنگ و مواد خام پلیمری شامل ضایعات انواع لاستیک‌­ها و پلاستیک‌­ها را می‌توان نام برد.

کاربردهای کربن فعال

کربن فعال بعنوان یک جاذب با ظرفیت جذب بالا و قیمت پایین، کاربردهای بسیار فراوانی یافته است. کاربرد مهم و قابل اهمیت آن عبارت است از:

استخراج فلز:

بازیافت طلا

تصفیه گاز :

تصفیه هوا و گاز فشرده

حذف بخارات روغن، بو و دیگر هیدروکربن ­ها از هوا

زیست محیطی :

تصفیه آب (آب شرب، آب آکواریوم‌ها، آب ­های صنعتی) از نظر رنگ و بو و طعم

تصفیه هوا (استفاده در دستگاه‌هایی مثل تصفیه کننده‌های هوا، خوشبوکننده‌­ها، تصفیه کننده‌­های صنعتی)

اندازه گیری غلظت رادون در هوا

کشاورزی:

آفت کش

افزودنی خوراک دام

جذب رنگدانه­‌های رنگ قهوه ­ای از کنسانتره انگور سفید

صنایع غذایی :

رنگ‌بری از قند و شکر

به سازی رنگ و طعم در نوشیدنی­ ها و آب میوه­‌ها

صنایع شیمیایی:

جداسازی کربوهیدارت‌ها

استفاده در ماسک­ های گاز

فیلترهای هوای فشرده

صنایع نفت گاز و پتروشیمی:

جاذب

کاتالیست

کاربردهای پزشکی و دارویی:

کربن فعال برای درمان مسمومیت دارویی یا سموم خوراکی در ساعات اولیه پس از مصرف به کار می‌رود. قرص یا کپسول کربن فعال در بسیاری از کشورها به عنوان یک دارو برای درمان اسهال، سوء هاضمه و نفخ استفاده می‌شود.

خواص کربن فعال

یک کربن فعال می‌­تواند مساحت سطحی بیش از  500 m² داشته باشد که این عدد می‌­تواند به 1500 m² هم برسد. آئروژل­‌های کربن، که البته گران‌تر هستند، مساحت سطحشان از این هم بالاتر است و در موارد خاص مورد استفاده قرار می­‌گیرند. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، ساختارهای با سطح بالای کربن‌های فعال قابل مشاهده هستند.

جیمز دووار زمان زیادی را صرف مطالعه کربن فعال و اثرات آن در جذب گازهای موجود در هوا کرد. از نظر فیزیکی، کربن فعال از طریق نیروهای واندروالس یا نیروهای پراکندگی لاندن به سایر مواد متصل می‌شود. این ترکیب با الکل‌ها، دی ­­اُل‌ها، اسیدها و بازهای قوی، فلزات و اکثر ترکیبات معدنی مثل لیتیم، سدیم، آهن، سرب، آرسنیک، فلوئور و بوریک اسید پیوندهای خوبی ایجاد نمی‌کند؛

 اما یُد (I₂) را خیلی خوب جذب می‌­کند. ظرفیت یدی (mg/g) برای تعیین مساحت سطح کربن فعال مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کربن مونواکسید به خوبی توسط کربن فعال جذب نمی­‌شود. این مسأله باید مورد توجه افرادی که این ماده را در فیلترهای بوگیر، هودها و سیستم‌های کنترل گاز استفاده می‌کنند، قرار بگیرد؛ زیرا مونواکسید کربن توسط حواس انسان قابل تشخیص نیست و سمی و کشنده است.

ویژگی‌های جذبی و فیزیکی

گونه‌های مختلفی از زغال‌­های فعال شده با ویژگی‌­های مشخص وجود دارند که خصوصیات هر یک از آن‌ها به مواد اولیه و فنون به کار رفته در تولید آن‌ها بستگی دارد. در انتخاب یک گونه زغال فعال شده، برای بهبود بخشیدن به فرآیندها، شناخت دقیق ویژگی‌های فیزیکی و جذبی مواد مورد نیاز است.

ویژگی‌های جذبی:

• سطح: با استفاده از N₂ حدود منافذ سطحی زغال فعال شده را اندازه می­‌گیرند. هرچه سطح زغال فعال شده بیشتر باشد، قسمت‌­های جاذب نیز بیشترند.
• اندازه منافذ: تعیین اندازه‌های یک زغال فعال شده می­‌تواند راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن باشد. بر طبق اصول IUPAC  منافذ بر اساس اندازه به صورت زیر دسته‌بندی شده‌اند:

Micropores: r<1 nm

Mesopores: r=1-25 nm

Micropores: r>25 nm

• که mesopore ها برای جابه ­جایی و Micropore ها برای جذب مواد هستند. بطور کلی هر چقدرکه اندازه ذرات زغال فعال شده کوچک‌تر باشد، سرعت جذب بیشتر است.
• تخلخل: یکی از راه‌های اندازه ­گیری میزان تخلخل در توده­ای از زغال فعال شده، استفاده از میزان جذب CCl₄  خالص در حالت گازی است.

ویژگی‌های فیزیکی:

• سختی و مقاومت در برابر حرارت و فشار: زغال‌های فعال شده دارای سختی­‌های متفاوتی هستند که مربوط به مواد اولیه و شیوه تهیه آن‌ها می‌باشد و بنا به درجه سختی، هر یک از آن‌ها کاربردهای متفاوتی دارند.

روش‌های تهیه کربن فعال

اصول و فنون گوناگونی در ساخت و تولید زغال­‌های فعال شده وجود دارد که به ۳ اصل بستگی دارد:

• نوع ماده اولیه
• مشخصات فیزیکی مورد نظر برای محصول (زغال فعال شده)
• مشخصات جذبی برای کاربردهای مختلف

هدف از فعال ­سازی، ایجاد یک ساختار متخلخل کربنی با سطح آزاد زیاد در ماده خام است. تولید کربن فعال با استفاده از دو روش امکان‌­پذیر است:

۱- فعال­ سازی فیزیکی

2- فعال­ سازی شیمیایی

فعال­ سازی فیزیکی:

در روش فعال­ سازی فیزیکی، ماده خام نخست در محیطی بدون حضور هوا کربونیزه می‌شود تا پایه کربنی اولیه تشکیل شود. در این شرایط، ترکیبات سلولزی و نیز پلیمری موجود در ماده خام به زغال تبدیل شده و مواد خامی نظیر زغال سنگ، کلیه ترکیبات فرار خود را از دست می‌دهند. سپس پایه کربنی به دست آمده در معرض یک عامل فعال­ ساز گازی در دمای بالا قرار می­‌گیرد. عامل فعال ساز عموماً بخار آب، دی ­اکسیدکربن، اکسیژن یا مخلوط آن‌ها می‌باشد که قادر است در دمای بالا با بخشی از کربن موجود در ماده واکنش دهد و آن را به صورت عوامل گازی مونواکسیدکربن یا دی­ اکسیدکربن خارج سازد. بدین ترتیب پس از حذف بخشی از کربن ساختمانی توسط عامل فعال ­ساز، محصول باقیمانده ساختاری متخلخل خواهد داشت.

چگونگی تخلخل این محصول به عوامل متعددی نظیر نوع ماده خام، شرایط کربونیزاسیون، نوع عامل فعال ­ساز، دما و زمان فعال سازی بستگی دارد. زغال‌­های فعال­ شده­ تولید شده توسط این روش معمولاً دارای منافذ ریزند و برای جذب مواد از مایعات و گازها مناسب هستند.

فعال ­سازی شیمیایی:

در روش فعال ­سازی شیمیایی که یک روش تک مرحله‌­ای برای تولید کربن فعال به شمار می‌آید، ماده خام با محلولی غلیظ از یک عامل فعال ­ساز مخلوط شده و مخلوط حاصل پس از خشک شدن، در شرایط اتمسفر بی ­اثر در یک کوره حرارت می­بیند. از جمله مهم‌ترین موادی که به عنوان عامل فعال ­ساز مورد استفاده قرار می‌گیرند، می­ توان به ترکیبات فلزات قلیایی یا قلیایی خاکی نظیر هیدروکسید پتاسیم، کربنات پتاسیم، کربنات سدیم، کلرید منیزیم و برخی اسیدها نظیر اسید فسفریک، اسید سولفوریک، کلرید آلومینیوم و کلرید روی اشاره کرد. در اینجا نقش عامل فعال­ ساز، حذف آب از ساختار ماده اولیه و پایین آوردن دمای لازم برای کربونیزاسیون و ممانعت از تشکیل قطران در حین انجام فرآیند است که به ایجاد یک ساختار متخلخل در محصول کمک می‌کند. در این روش مشخصات ماده خام نظیر نوع و ابعاد دانه‌­های آن، نوع عامل فعال ساز، نسبت اختلاط ماده خام با عامل فعال ­ساز  (درصد تلقیح)، شرایط خشک کردن و گرمایش در کوره، در مشخصات و خواص محصول نهایی تاثیر قابل ملاحظه ­ای خواهد داشت. زغال فعال شده بدست آمده توسط این روش، دارای منافذ باز زیادی است و برای جذب مولکول‌های بزرگ بسیار مناسب است.

بدیهی است انتخاب روش فعال ­سازی، چگونگی تخلخل محصول را نیز تحت تاثیر قرار می‌دهد؛ به عنوان مثال مشخص شده‌است که روش فعال­ سازی فیزیکی اغلب حفره­‌ هایی به شکل مخروط ایجاد می‌کند به صورتی که قاعده مخروط در بالا قرار دارد در حالیکه روش فعال­ سازی شیمیایی منجر به تشکیل حفره‌­هایی به شکل بطری می­‌گردد.