تهیه و تولید کربن فعال
تهیه و تولید کربن فعال از مواد کربنی را اکتیواسیون گویند. اکتیواسیون عبارت است از تهیه یک شکل کریستالی ریز از کربن فعال که مقدار بسیار زیادی تخلخل به شکل و اندازه‌های مختلف دارد. امروزه روش ساده پخت یا کربونیزه کردن مواد انجام می شود. ولی محصولات این روش پاسخ‌گوی احتیاجات جامعه‌ی صنعتی امروز نیست. به عنوان مثال سطح زغال چوب پودر شده به طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از کربن فعال است ( ۲-۴ مترمربع برگرم در مقابل ۳۰۰-۱۰۰۰ مترمربع برگرم کربن گرانولی).
روش‌های تهیه و تولید کربن فعال
اصول و فنون مورد استفاده در تهیه و تولید کربن
اصول و فنون گوناگونی در تهیه و تولید کربن فعال وجود دارد. اصول و فنون مورد استفاده در تهیه و تولید کربن فعال به سه اصل بستگی دارد:
- نوع ماده اولیه
- مشخصات فیزیکی مورد نظر برای محصول (زغال فعال شده)
- مشخصات جذبی برای کاربردهای مختلف
اهداف فعال‌سازی کربن
هدف از فعال‌سازی، ایجاد یک ساختار متخلخل کربنی با سطح آزاد زیاد در ماده خام است. تولید کربن فعال با استفاده از دو روش امکانپذیر است:
۱. فعال‌سازی فیزیکی
۲. فعال‌سازی شیمیایی
فعال‌سازی فیزیکی
در روش فعال‌سازی 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 می دهند. سپس پایه کربنی بدست آمده در معرض یک عامل فعال ساز گازی در دمای بالا قرار می گیرد.
عامل فعال ساز عموماً بخارآب، دی اکسیدکربن، اکسیژن یا مخلوط آنها می باشد که قادر است در دمای بالا با بخشی از کربن موجود در ماده واکنش دهد و آنرا بصورت 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. زغال های فعال شده تولید شده توسط این روش معمولاً دارای منافذ ریزند و برای جذب مواد از مایعات و گازها مناسب هستند.
فعال‌سازی شیمیایی
در روش فعال‌سازی شیمیایی که یک روش تک مرحله ای برای تهیه و تولید کربن فعال به شمار می آید، 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 می بیند. از جمله مهمترین موادی که به عنوان عامل فعال ساز مورد استفاده قرار می گیرند، 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 می کند. در این روش مشخصات ماده خام نظیر نوع و ابعاد دانه های 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 مولکول های بزرگ بسیار مناسب است.
بدیهی است انتخاب روش فعال سازی، چگونگی تخلخل محصول را نیز تحت تاثیر قرار می دهد؛ بعنوان مثال مشخص شده است که روش فعال سازی فیزیکی اغلب حفره هایی به شکل مخروط ایجاد می کند به صورتی که قاعده مخروط در بالا قرار دارد در حالیکه روش فعال سازی شیمیایی منجر به تشکیل حفره هایی به شکل بطری می گردد.
مصارف و کاربرد زغال فعال
زغال فعال دارای کاربردهای زیادی است، از جمله مصارف آن:
- تصفیه آب‌ها (آب شرب، آب آکواریوم‌ها، آبهای صنعتی)، از نظر رنگ و بو و طعم
- رنگ‌زدایی از قند و شکر
- بازیافت طلا
- به‌سازی رنگ و طعم در نوشیدنی‌ها و آب میوه‌ها
- استفاده در دستگاه‌هایی مثل: تصفیه کننده‌های هوا، خوشبوکننده‌ها، تصفیه‌کننده‌های صنعتی و …
- تهیه و تولید کربن فعال شده
- تولید دارو
