کربن فعال چیست ؟ چه کاربردی در تصفیه دارد؟ کربن های فعال نوعی ماده متخلخل هستند که می توانند مواد آلی موجود در گاز یا مایع را به دام بیاندازد. این ماده برای این منظور به قدری موثر است که به عنوان یکی از روش های تصفیه برای هوا یا آب مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده می تواند از ترکیبات آلی از متابولیسم موجودات زنده به دست آید. ساختار اصلی آنها از زنجیره‌ای از اتم‌های کربن و هیدروژن است. این می تواند شامل تمام مشتقات دنیای گیاهی و جانوری از جمله نفت و ترکیبات به دست آمده از آن باشد.
کاربردهای کربن فعال برای تصفیه
- کاربرد کربن فعال در تصفیه آب
کربن فعال (یا زغال فعال) یکی از مواد جذب کننده یا جاذب برای مواد آلی و شیمیایی در فرآیندهای تصفیه آب است. این ماده جامد با ساختار متخلخل و سطحی بزرگ، قابلیت جذب ذرات و مواد آلی محلول در آب را دارد. از کربن فعال در تصفیه اب به چند منظور استفاده می شود که عبارتند از:
- جذب مواد آلی: کربن فعال قابلیت جذب مواد آلی موجود در آب را دارند، از جمله رنگ‌ها، بوی آلودگی‌ها و مواد آلی قابل حل. این امکان باعث حذف مواد آلی غیرخواسته از آب و بهبود کیفیت آن می‌شود.
- حذف مواد شیمیایی: کربن فعال همچنین می‌تواند به عنوان جاذب برای مواد شیمیایی مختلف مانند کلر، کلرامین‌ها، و سایر مواد آلی و شیمیایی مضر کاربرد داشته باشد.
- بهبود طعم و بوی آب: جذب مواد آلی و شیمیایی توسط کربن فعال می‌تواند طعم و بوی ناخوشایند آب را بهبود بخشیده و آب را قابل تحمل‌تر کند.
- حذف مواد رادیواکتیو: در برخی موارد، کربن فعال می‌تواند نیز به عنوان جاذب برای مواد رادیواکتیو کاربرد داشته باشد، این مواد معمولاً در آبهای آلوده به رادیواکتیوتیت یافت می‌شوند و از لحاظ ایمنی عمومی بسیار حیاتی است که این مواد از آب حذف شوند.
به طور کلی، کربن فعال یکی از مواد اصلی و کارآمد در فرآیندهای تصفیه آب است که برای حذف آلودگی‌های آلی و شیمیایی از آب استفاده می‌شود.
- کاربرد کربن فعال برای بو زدایی و تصفیه هوا
به عنوان مثال: در ماسک‌های کارتریجی، سیستم‌های گردش هوا در فضاهای عمومی، دریچه‌های تخلیه و تصفیه خانه های آب، غرفه‌های کاربرد رنگ، فضاهایی که حلال های آلی را ذخیره یا اعمال می‌کنند.
- کاربرد کربن فعال برای درمان افراد مبتلا به مسمومیت حاد
زغال چوب فعال “جهانی ترین پادزهر” در نظر گرفته می شود و در اورژانس ها و بیمارستان ها استفاده می شود.
- کاربرد کربن فعال برای تصفیه شکر
زغال چوب پروتئین هایی را که به آب نیش رنگ می دهند حفظ می کند. هدف اساسی این فرآیند جلوگیری از تخمیر و فاسد شدن شکر است.
کاربرد کربن فعال برای تغییر رنگ روغن های گیاهی (مانند نارگیل)
کاربرد زغال فعال برای گلوکز ذرت و سایر مایعات برای غذا
کاربرد زغال فعال برای تغییر رنگ و بوی بد نوشیدنی های الکلی
(مانند شراب و عرقیات انگور با هر منشا)
کاربرد زغال فعال برای بازیابی طلا
طلایی که با فرآیندهای شناورسازی از مواد معدنی جدا نمی شود، در سیانید سدیم حل شده و روی کربن فعال جذب می شود.
کربن فعال چگونه کار می کند؟
کربن فعال به منظور افزایش جذب و متخلخل ساختن آن باید فرآیندهای مختلفی روی آن انجام شود. یک گرم زغال چوب حدود 50 متر مربع مساحت دارد. با فعال سازی به 600 تا 800 متر مربع می رسد یعنی 12 تا 16 برابر افزایش پیدا می کند. اتم‌های کربنی که ماده جامدی را تشکیل می‌دهند که ما آن را «کربن» می‌نامیم، توسط پیوندهای کووالانسی در کنار هم نگه داشته می‌شوند. هر اتم یک الکترون با چهار اتم کربن دیگر به اشتراک می گذارد.
اتم هایی که روی سطح نیستند، چهار پیوند خود را در همه جهات توزیع می کنند. اما اتم‌های بیرونی، اگرچه به چهار اتم دیگر متصل هستند، در فضای کوچک‌تر مجبور به انجام این کار هستند و هنوز هم عدم تعادل نیرو در درون آنها وجود دارد. این عدم تعادل همان چیزی است که باعث می شود مولکول مایع اطراف کربن را به دام بیاندازند.
نیروی لندن در اصل نیرویی که با آن یک اتم کربن روی سطح دیگر به دام می‌افتد، به عنوان «نیروی لندن» شناخته می‌شود و یکی از هفت نوع «نیروهای واندروالس» است. این یک پیوند شیمیایی فیزیکی است، به اندازه ای که حاوی مواد جاذب باشد، اما به اندازه ای نیست که به عنوان یک پیوند شیمیایی برگشت ناپذیر در نظر گرفته شود که ساختار مولکولی جدیدی را تشکیل می دهد. بنابراین، جذب برگشت پذیر است و کربن فعال را می توان برای استفاده مجدد بازیافت کرد.
مولکول های جذب شده توسط کربن تمایل به پیوند کووالانسی دارند. از یونی تغییر می کند، زیرا دومی سعی می کند الکترون را بدزدد یا به اتم کربن ببخشد. پیوندهای بین اتم های کربن و هیدروژن کووالانسی هستند، بنابراین کربن جاذب خوبی برای مولکول های آلی است. همه مولکول های آلی تمایل به کووالانسی ندارند. آنها اغلب حاوی اکسیژن، گوگرد و سایر اتم های بسیار الکترونگاتیو هستند که به بخشی از مولکول حاوی آنها تمایل یونی می دهند. از سوی دیگر، همه مولکول های معدنی یونی نیستند. سیانید طلا از این قبیل است به همین دلیل کربن فعال را به یک عنصر اساسی در استخراج طلا مورد استفاده قرار می دهند.
زغال فعال چگونه تشکیل می شود؟
هر ذره کربن را می توان فعال کرد اما در نظر داشته باشید اگر کربن بسیار سفارشی باشد (مانند الماس یا گرافیت)، حذف برخی اتم‌های کربن به منظور ایجاد منافذ دشوار است. یکی از روش های طبقه بندی زغال سنگ بر اساس درجه “کک شدن” یا آرایش اتم های کربن آنها است. هرچه سختی کربن کمتر باشد به راحتی می توان آن را فعال کرد.
زغال پوسته نارگیل و زغال چوب
مواد اولیه ای که معمولاً برای تولید کربن فعال استفاده می شود عبارتند از: چوب های نرم (مانند کاج)، زغال سنگ معدنی (لیگنیت، قیر و آنتراسیت) و پوسته یا حفره سبزیجات (پوسته نارگیل، هسته زیتون یا هلو، پوست گردو). کربن‌های فعال ساخته شده از چوب‌های نرم، منافذ با قطر بزرگ را تشکیل می‌دهند و مخصوصاً برای رنگ‌زدایی مایعات مناسب هستند.
زغال سنگ معدنی
این نوع کربن ها از کربن های معدنی ساخته شده اند، آنها تمایل دارند طیف وسیعی از منافذ را تشکیل دهند. آنها تمایل دارند برای کاربردهایی که ترکیبات آنها باید حفظ شود و دارای اندازه های مولکولی متفاوت هستند، مناسب تر هستند. آنهایی که بر اساس پوسته یا استخوان سخت هستند، منافذ کوچکی را تشکیل می دهند و در تصفیه گازها یا در تصفیه آب از چاه ها عملکرد بهتری دارند.
شکل فیزیکی کربن فعال چیست؟
زغال سنگ را می توان به صورت پودر، گرانول یا میله ای تولید کرد. پودر فقط در تصفیه مایعات استفاده می شود. کربن با هم زدن به مخزن ریخته می شود و سپس با استفاده از یک فیلتر مناسب برای نگه داشتن ذرات کوچک (مانند فیلتر پرس) از مایع جدا می شود. در مورد زغال سنگ گرانولی در بازه های اندازه ذرات مختلف تولید می شود که بر اساس اندازه ذرات یا عدد مش مشخص می شود. به عنوان مثال، مش 4، مشبکی است که در هر اینچ خطی چهار سوراخ دارد. آنها هم در تصفیه مایعات و هم در گازها کاربرد دارند. کربن فعال میله ای در تصفیه گاز مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا شکل آنها افت فشار کمتری ایجاد می کند.
در صورتی که ذغال سنگ گرانولی یا میله ای مورد نظر باشد، اگر ماده خام به اندازه کافی سخت نباشد، می توان آن را با یک ماده اتصال دهنده که سختی ایجاد می کند ترکیب کرد تا از شکستن آن هنگام عبور سیال جلوگیری کند.
زغال فعال چگونه فعال می شود؟
زغال سنگ را می توان با فرآیندهای حرارتی یا شیمیایی فعال کرد. فرآیندهای حرارتی برای فعال کردن زغال سنگ شامل اکسیداسیون جزئی زغال سنگ است، به طوری که منافذ ایجاد می شود، اما از تبدیل شدن به گاز و از دست دادن زغال سنگ بیش از حد لازم جلوگیری می شود. این در دمای بین 600 تا 1100 درجه سانتیگراد و در یک اتمسفر کنترل شده اتفاق می افتد.
فرآیندهای شیمیایی از مواد خام قبل از کربن شدن شروع می شود. این فرآیند از عوامل کم آب کننده (مانند اسید فسفریک) هستند که پیوندهایی را که زنجیره های سلولزی را به یکدیگر متصل می کنند، می شکنند. پس از این مرحله، مواد در دمای پایین (حدود 550 درجه سانتیگراد) کربنیزه شده و سپس برای حذف بقایای مانده و سایر محصولات جانبی شسته می شوند. کوره هایی که در آنها زغال سنگ از نظر حرارتی فعال می شود یا در آنها زغال سنگ با پیش تصفیه با یک ماده شیمیایی کربنیزه می شود، می توانند چرخشی یا عمودی باشند.
ظرفیت جذب کربن فعال چقدر است؟
ظرفیت یک کربن فعال برای حفظ یک ماده معین نه تنها با مساحت سطح آن مشخص می‌شود، بلکه با نسبت منافذی که اندازه آنها کافی است، یعنی قطر کمی از یک تا پنج برابر مولکول مورد نظر، مشخص می‌شود. جذب شده
اگر این شرط رعایت شود، ظرفیت می تواند بین 20 تا 50 درصد وزن خود باشد.
کدام نوع زغال برای سفید کردن مناسب است؟
رنگ هایی که در مایعات ظاهر می شوند معمولاً مولکول های بزرگی هستند. بنابراین، آنها در منافذ بزرگ جذب می شوند، به این معنی که مناسب ترین کربن برای حفظ آنها، کربن های درشت با تخلخل بالاتر هستند. زغال چوب، به ویژه آنهایی که از چوب های نه چندان سخت (مانند کاج) هستند و از نظر شیمیایی فعال می شوند، بیشترین تخلخل را دارند و بنابراین برای رنگ زدایی مناسب ترین هستند.
مشکل این کربن ها این است که خیلی سخت نیستند و در برابر سایش مقاومت چندانی ندارند به همین علت از آنها به شکل پودر استفاده می کنند. زمانی که لازم است زغال برای رنگ‌زدایی استفاده شود، بهترین گزینه معمولاً زغال سنگ قهوه‌ای است. این زغال سنگ معدنی با بیشترین تخلخل درشت است.
کدام نوع برای تصفیه آب مناسب تر است؟
متداول ترین آلاینده ها در آب چاه معمولاً با وزن مولکولی کم هستند و برای این موارد مناسب ترین کربن کربن با ریز تخلخل بالا است. زغال‌هایی که این شرایط را به بهترین نحو برآورده می‌کنند، اولاً زغال‌های پوسته نارگیل و در مرحله دوم، کانی‌های قیری هستند.
بیشتر بخوانید : انواع مواد نرم کننده آب – روش های مختلف نرم کننده آب
چرا PH آب هنگام نصب کربن بکر تغییر می کند؟
هنگامی که یک کربن از نظر شیمیایی فعال می شود، حذف تمام مواد شیمیایی استفاده شده از محصول نهایی برای سازنده غیرعملی و غیر ضروری است. بنابراین، اگر ماده شیمیایی یک اسید باشد، PH چند لیتر اول آبی را که با زغال سنگ تماس پیدا می کند، کاهش می دهد. اگر ماده شیمیایی مورد استفاده قلیایی باشد برعکس اتفاق می افتد.
در مورد کربن فعال حرارتی (بدون حضور مواد شیمیایی غیر از بخار آب و گازهای احتراق)، pH چند لیتر اول آب تصفیه شده با آن را افزایش می دهد. زیرا همه گیاهان دارای مقادیر قابل توجهی سدیم، پتاسیم، کلسیم و سایر کاتیون‌ها هستند که در فرآیند کربن‌سازی، به شکل اکسید در زغال چوب باقی می‌مانند. این اکسیدها در تماس با آب تبدیل به هیدروکسید می شوند و در آب حل می شوند و pH آن را افزایش می دهند. زمانیکه PH چند لیتر اول آبی که با کربن در تماس است تغییر نمی کند، ممکن است یک کربن با pH تنظیم شده یا یک کربن فوق خالص باشد.
کدام نوع زغال فعال برای تصفیه هوا و گازها مناسب تر است؟
تمام آلاینده های گازی دارای قطر مولکولی کمتر از 2 نانومتر هستند. این بدان معنی است که آنها در ریز منافذ بهتر جذب می شوند. زغال‌های پوسته نارگیل دارای بیشترین ریزتخلخل هستند و بنابراین بیشترین کاربرد را در تصفیه هوا و گاز دارند. کربن‌های فعال با ساختار اصلاح‌شده به شکل ویژه وجود دارند که در زمان هایی که زغال فعال استاندارد نتواند سایر ترکیبات غیر آلی را حفظ کند ازان استفاده می کند.
منبع: www.carbotecnia.info
