کربن فعال در حذف آلاینده ها

در این مقاله با پاسخ به چند سوال ساده با ماده کربن فعال و چگونگی کاربرد آن در صنعت آب آشنا خواهیم شد.

کربن فعال یا زغال فعال چیست؟

 یک ماده جامد متخلخل با مساحت سطحی بسیار وسیع و شامل شبکه های متخلخل میکروسکوپی است که فرآیند جذب سطحی(adsorbtion) را ممکن می سازد. انواع کربن فعال از موادی با درصد کربن بالا ساخته می شود. ماده با پایه کربنی از طریق یک فرایند اصلاح فیزیکی و واپاشی حرارتی در کوره تحت اتمسفر و فشار کنترل شده به کربن فعال تبدیل می شود. محصول نهایی مساحت سطح بالایی به نسبت واحد حجم خود داشته و حاوی شبکه ای از تخلخل های میکروسکوپی خواهد بود که فرآیند جذب سطحی در آن ها رخ می دهد. از گذشته های دور از زغال جهت از بین بردن بو و طعم استفاده می شد و اولین صافی زغالی در سال ۱۹۱۰ توسط mager ارائه شد. در سال ۱۹۲۸ در شیکاگو و آلمان به ترتیب برای حذف کلر و فنل از آب، از زغال استفاده شد. بعدها نوع دیگری از زغال با نام زغال فعال  تهیه و به بازار ارائه شد که امروزه نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

خصوصیات کربن فعال چیست؟

خصوصیات مثبت این ماده موجب شده تا به عنوان جاذبی مناسب جهت تصفیه آب معرفی و مورد استفاده حتی در سطح وسیع قرار گیرد. مساحت قابل توجه برای جذب(سطح ویژه بالا)، ساختار پوک، منفذی، متخلخل، ظرفیت جذب بالا، قابلیت فعالسازی مجدد، قیمت پایین نسبت به جاذب های غیر آلی، توانایی بالای جداسازی بو، رنگ و مزه‌های غیردلخواه از پساب‌های خانگی و صنعتی از جمله خصوصیات مهم این ماده می باشند. همچنین در این ماده خصوصیات فیزیکی دیگری همچون چگالی، اندازه مش و سطح خاکستر نیز مورد بررسی قرار می گیرد. در تصویر زیر ساختار متخلخل این ماده که توسط عکس برداری بوسیله اشعه ایکس بدست آمده قابل مشاهده است:

با استفاده از الگوهای اشعه‌ی ایکس مشخص می‌شود که کربن فعال غیر گرافیتی یا بی شکل است. این خاصیت کربن فعال، باعث می‌شود سطح ویژه این جاذب بسیار زیاد باشد. در حالت طبیعی، این ماده دارای سطحی غیر قطبی است اما هنگام تولید این ماده، برهمکنش سطح آن با اکسیژن، نواحی کوچکی روی سطح ایجاد می‌کند که به مقدار خیلی کمی قطبی است. این امر باعث آبگریزی کربن فعال می‌گردد و همین مشخصه باعث می‌شود بتوان از این ماده برای جذب گازها در حضور رطوبت استفاده کرد.

انواع کربن فعال

کربن فعال درانواع مختلفی تولید و به بازار عرضه می شود:

از معمول ترین انواع این ماده می توان به کربن فعال پودری (Powder)، دانه ای (Granular)، قرصی (Pellet) و بلاک (Block) اشاره نمود.

بدیهی است که ابعاد و خصوصیات هر یک از انواع کربن فعال در چگونگی و میزان جذب تاثیر زیادی دارد. در ذیل به اختصار به معرفی هر کدام از انواع این ماده می پردازیم:

– کربن فعال پودری، کربن با ابعاد میکرونی است که از آسیاب کربن گرانولی که در ابعاد میلیمتری است، بدست می آید و دارای سرعت و قابلیت جذب بالاتری نسبت به کربن با ابعاد بالاتر است و برای تصفیه آلودگی های رایج تر در منابع آبی مورد استفاده قرار می گیرند. از بین بردن آلودگی های ناشی از نشت مواد صنعتی از کارخانجات و یا جلوگیری از افزایش ناگهانی جلبک ها در تصفیه خانه ها از جمله موارد مهم استفاده از این ماده به صورت پودری است.

– کربن فعال دانه ای یا گرانوله، دارای ابعاد میلیمتری بوده و نسبت به کربن فعال پودری، درشت تر است. استفاده از کربن فعال دانه ای در تصفیه خانه ها، متدوال است. اما استفاده درست از این نوع کربن فعال، نیازمند زیرساخت لازم برای اکتیو کردن و استفاده مجدد از آن ها است. با انتقال کربن فعال دانه ای استفاده شده به کوره فعالسازی و احیا و استفاده مجدد آن، می توان صرفه جویی قابل ملاحظه ای داشت. این کار، هزینه ای حدود نصف حالتی که از کربن فعال دانه ای تازه به جای کربن فعال مستعمل استفاده کنیم، در برخواهد داشت. کربن گرانول برای تصفیه آب، بوزدایی وجداسازی مواد موجود در جریان ها و نیز در حوضچه های اختلاط سریع استفاده می شوند. در صورت در دسترس نبودن و یا عدم توانایی فعال سازی می توان از کربن پودری به جای آن استفاده کرد.

-کربن فعال قرصی، در واقع، کربن فعال دانه ای درشت است که معمولاً برای حذف بو و سولفید هیدروژن از بخارها و گازها در تصفیه فاضلاب استفاده می شوند. درشت بودن این دانه ها و به تبع آن، زیاد بودن نسبی ابعاد حفره های ما بین آنها، به جریان بخار و گاز اجازه می دهد تا براحتی و بدون روبرو شدن با مقاومتی، از آن عبور کرده و باعث کاهش انرژی مورد نیاز فن برای عبور جریان از لایه های این ماده شود.

کربن‌های فعال تجاری از مواد آلی غنی از کربن، زغال سنگ، چوب، پوست برخی دانه‌ها مثل فندق، بادام و نارگیل تهیه می‌گردد. کربن ساخته شده از نارگیل دارای میکرو تخلخل‌های بیشتری است و بیشتر برای جداسازی مواد آلی رقیق در آب شرب مناسب است. با مقایسه ی تعداد ید روی این کربن می‌توان به این ویژگی پی برد. کربن‌هایی که عدد ید بالاتری داشته باشند مساحت سطح بزرگتری دارند. بنابراین‌، ظرفیت بالاتری برای مواد آلی با جذب ضعیف دارند.

کاربردهای کربن فعال

-حذف آلاینده هایی نظیر کلر از آب

-ساخت کاتالیزور ها

-استفاده در معادن طلا

-استفاده به عنوان حامل زیست توده و مواد شیمیایی

– رنگ زدایی از قند و شکر

– به سازی رنگ و طعم در نوشیدنی‌ها و آب میوه‌ها

-استفاده در دستگاه‌هایی مثل: تصفیه کننده‌های هوا، خوشبو کننده ها، تصفیه کننده های صنعتی و …

-استفاده در تولید دارو

چگونگی تولید کربن فعال

تهیه این ماده از مواد کربنی را اکتیواسیون گویند. و عبارت است از تهیه یک شکل کریستالی ریز از کربن فعال که مقدار بسیار زیادی تخلخل به شکل و اندازه های مختلف دارد. کربن فعال را ابتدا با تهیه ذغال از موادی چون پوست بادام، نارگیل و گردو و سایر انواع چوب و ذغال سنگ تولید می کنند. برای تهیه این ذغال، مواد تا حد گداختگی گرما می دهند تا هیدرو کربن های آن خارج گردند، اما مقدار هوا را کمتر از مقدار کافی نگه می دارند تا سوخت ادامه یابد. سپس ذرات ذغال را با قرار دادن آن در معرض یک گاز اکساینده در دمای بالا فعال می کنند. این گاز یک ساختار متخلخل در ذغال ایجاد می کند و بدین ترتیب یک سطح بزرگ با مساحت زیاد درون آن ایجاد می گردد. پس از فعال سازی، کربن را می توان در اندازه های مختلف با ظرفیت های مختلف جذب سطحی جدا کرد.

کاربرد کربن فعال در صنعت آب

روش حذف این کربن از آب های حاوی آلاینده از طریق فرآیند جذب سطحی انجام می گیرد. فرآیند جذب سطحی دارای انعطاف‌ پذیری در طراحی و بهره‌ برداری بوده و یک جریان خروجی تصفیه شده با کیفیت بالا تولید می‌کند. به ‌علاوه، از آن جایی‌ که جذب سطحی در برخی موارد برگشت‌ پذیر است، جاذب ‌ها را می‌توان با استفاده از فرآیند های احیا مناسب، بازسازی نمود. به همین دلیل در بیشتر موارد استفاده از فرآیند جذب، روشی اقتصادی به شمار می‌آید. به طور کلی جذب توسط این کربن دارای ۳ مرحله می باشد:

۱-تماس ذرات آلاینده محلول در مایع ( آب) با ذرات زغال فعال شده

۲-پخش شدن ذرات آلاینده در شبکه متخلخل زغال فعال شده

۳-جذب ذرات آلاینده به زغال فعال شده و به وجود آمدن یک پیوند برگشت ناپذیر

براساس مطالعات زغال فعال به صورت پودری یا دانه ای دارای قدرت جذب مواد آلی موجود در آب است. غلظت این ماده، زمان تماس، محل تزریق، نحوه اختلاط و کیفیت آلاینده ها از جمله مواردی است که در عملکرد این ماده جهت تصفیه تاثیر گذار است. بطوریکه لازم است در هر شرایطی به کمک آزمایشات در مقیاس نیمه صنعتی تصمیم گیری نمود در غیر این صورت یا میزان زغال فعال بیشتر از حد لازم به کار می رود که بار مالی اضافی به تصفیه خانه تحمیل می کند یا غلظت آلاینده باقی مانده در حد خطرناکی خواهد بود بطوریکه آفت کش ها و علف کش ها، ترکیبات آروماتیک و حلال های آروماتیک توسط کربن فعال جذب شده و از جریان آب تصفیه خانه خارج می شود. همچنین افزایش سطح آگاهی مردم و نگرانی ها در مورد نوشیدن آب آشامیدنی سالم باعث شده است مردم فیلتر های کربنی خانگی را روی شیرهای آب خود نصب کنند تا آب شرب خود را بیشتر تصفیه کنند . بسیاری از این فیلتر های تصفیه آب خانگی از زغال فعال استفاده می کنند تا ناخالصی های حل شده در آب و محصولات جانبی فرآیند گندزدایی که ممکن است طعم بدی به آب بدهند را به طور موثر از آن خارج کنند.