کربن فعال (کربن اکتیو)

حتماً تا به حال اسم کربن فعال به گوش شما خورده است. اما تا به حال این سوال برای شما پیش آمده است که این ماده چه تفاوتی با کربن معمولی دارد؟ این ماده پر کاربرد چه خواصی دارد؟ آیا می‌دانید از کربن فعال در دستگاه‌های تصفیه هوا و آب استفاده می‌شود؟ تا چه اندازه از کاربردهای این ماده اطلاع دارید؟ با مطالعه این مقاله به پاسخ تمامی این پرسش‌ها خواهید رسید.

کربن فعال چیست؟

کربن فعال که با نام‌‌های کربن اکتیو  و گاها زغال فعال نیز شناخته می‌‍شود، نوعی کربن فرآوری شده با ساختاری متخلخل است که معمولا از فراوری زغال سنگ یا کک تولید می‌شود. یکی از ویژگی‌های بارز این ماده مهندسی که سبب محبوبیت آن شده است، مساحت سطحی بالای آن است. گفته شده که یک گرم از کربن اکتیو سطحی بالغ بر ۳۰۰۰ متر مربع دارد! بهره مندی از این ویژگی سبب شده تا این ماده قابلیت جذب بالا و واکنش پذیری بالایی داشته باشد. به همین دلیل امروزه ردپای کربن اکتیو در صنایع مختلف از مواد خوراکی تا نفت و گاز مشاهده می‌شود.

کربن اکتیو به چه روشی تولید می‌شود؟

زغال فعال را می‌توان از موادی که منشا آلی دارند، تهیه کرد. زغال سنگ، قیر، لیگنیت (زغال قهوه‌ای)، بامبو و پوست نارگیل از جمله منابع اولیه‌ای هستند که برای تهیه زغال فعال مورد استفاده قرار می‌گیرند و به دو روش فیزیکی و شیمیایی فرآوری می‌شوند.

تهیه کربن فعال به روش فیزیکی

در این روش ماده‌ای محتوی کربن در دمایی بین ۶۰۰-۹۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شود. این کار معمولا در حضور گازهای خنثی مثل آرگون یا نیتروژن انجام می‌شود. در این حالت ماده اولیه سوخته و خاکستر آن برجای می‌ماند. در ادامه این خاکستر در محدوده دمایی ۶۰۰-۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، در معرض اتمسفر اکسید کننده مانند اکسیژن یا بخار آب قرار می‌گیرد تا فعال شود.

تهیه کربن فعال به روش شیمیایی

در روش شیمیایی کربن به یک ماده‌ی شیمیایی که معمولا یک اسید قوی یا یک نمک است، آغشته می‌شود و در دمایی بین ۲۵۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بیند. وقوع واکنش‌های شیمیایی در این محدوده دمایی باعث متخلل و فعال شدن کربن می‌شود.

دسته‌بندی کربن اکتیو به چه صورتی است؟

اساساً ابن ماده را بر اساس روش‌های تولید، اندازه ذرات و کاربردهای صنعتی آن دسته‌بندی و نام‌گذاری می‌کنند که در این بخش به آن اشاره می‌کنیم.

کربن فعال پودری (PAC)

کربن فعال پودری که با نام PAC (Powdered Activated Carbon) نیز شناخته می‌شود، معروف ترین نوع کربن اکتیو است که به صورت پودری یا گرانوله با اندازه‌ای کوچک‌تر از  ۱ میلیمتر تولید می‌شود. کربن پودری سطح فعال بیشتری نسبت به انواع دیگر کربن دارد.

کربن فعال گرانولی (GAC)

کربن فعال گرانولی یا GAC (Granular Activated Carbon) یکی دیگر از انواع کربن اکتیو است. این خانواده نسبت به نوع پودری اندازه درشت‌تر و به طبع سطح ویژه کمتری دارد. ویژگی بارز آن قابلیت جذب بالای سیالات است که کمک می‌کند در تصفیه آب، گندزدایی و تفکیک اجزای سیالات مورد استفاده قرار گیرد.

کربن فعال اکسترودشده (EAC)

کربن اکتیو اکسترود شده یا EAC (Extruded Activated Carbon)، از اختلاط کربن پودری و چسب و در نهایت اکسترود کردن آن‌ها تولید می‌شود. این کربن در بازار با نام فیلتر CTO (کلورین، بو، مزه) نیز به فروش می‌رسد. از این خانواده به دلیل استحکام مکانیکی بالا و تولید گرد و غبار کم در فاز گازی استفاده می‌شود.

کربن فعال دانه‌ای (BAC)

کربن فعال دانه‌ای یا BAC (Bead Activated Carbon) نوع دیگری از کربن‌های اکتیو است که از قیر ساخته می‌شود و خواصی کاملا مشابه نوع اکسترود شده دارد. اندازه‌ی قطر دانه‌های این کربن بین ۳۵/۰ تا ۸/۰ میلیمتر است و به دلیل اندازه دانه کوچک کاندیدای مناسبی جهت استفاده در بستر سیال مانند سیستم فیلتراسیون آب است.

کربن فعال عامل‌دار شده (IC)

این کربن را از این جهت عامل دار (Impregnated carbon) می‌نامند که به عواملی غیر ارگانیک مثل ید، نقره و سایر کاتیون‌ها آغشته شده است. از کاربردهای این ماده می توان به کنترل کننده آلودگی هوا به خصوص در موزه‌ها و گالری‌ها اشاره کرد. از ترکیب کربن عامل‌دار با نقره در تصفیه آب خانگی استفاده می‌شود.

کربن فعال پوشش داده شده با پلیمر (PCC)

از اسم این کربن می‌توان به فرآیند تولید آن پی برد. در فرآیند فراوری این محصول، کربن متخلل توسط یک پلیمر زیست سازگار پوشش داده می‌شود، به طوری که تخلل‌ها مسدود نشوند. از این کربن‌ها جهت تصفیه خون در مقادیر بسیار زیاد (هموپرفیوژن) استفاده می‌شود.

کربن بافته شده (WC)

پارچه‌های زغال فعال که با فناوری فیبر ریون تولید می‌شوند، اساسا جذب بالاتری نسبت به کربن فعال پودری دارند. دلیل آن سطح ویژه‌ی بالاتر این کربن‌ها نسبت به نوع پودری است. به لطف اشکال مختلفی که این پارچه‌های فعال شده دارند، می‌توان از آن‌ها در طیف گسترده‌‌ای از کاربردها مانند ابررساناها، جذب کننده بو و … بهره جست.

کربن اکتیو چه خواص منحصر به فردی دارد؟

تخلخل فوق العاده زیاد

از کربن فعال به عنوان یک ماده به شدت متخلل یاد می‌شود. توجه داشته باشید که هرچه تخلل‌ها بیشتر باشد، کربن فعال‌تر می‌شود. در ضمن اندازه و شکل تخلل‌ها نیز در میزان فعالیت آن موثر است. بر اساس شکل و اندازه، این تخلل‌ها را در سه دسته می‌توان قرار داد:

• تخلخل‌های ماکرو (Macro porosity): قطر تخلل‌ها به طور متوسط بیشتر از ۵۰ نانومتر است.
• تخلخل‌های مِزو (Meso porosity): قطر تخلل‌ها به طور متوسط بین ۲ تا ۵۰ نانومتر است.
• تخلخل‌های میکرو (Micro porosity): قطر تخلل‌ها به طور متوسط کمتر از ۲ نانومتر است.

سطح ویژه بسیار بالا

سطح مخصوص بالا ویژگی بارز زغال فعال است. هرچه کربن متخلخل‌تر باشد، جذب سطحی و واکنش‌پذیری آن بیشتر است.

سختی بالا

کربن اکتیو باید سختی بالایی داشته باشد. هر چه کربن سختی کمتری داشته باشد، سریع‌تر خرد و فرسوده می‌شود. این امر باعث آسیب و خرابی در تاسیسات به خصوص در هنگام استفاده در فیلترها می‌شود.

خصوصیات دیگری نظیر دانه‌بندی، وزن مخصوص و قابلیت استفاده در PHهای گوناگون نیز مطرح هستند که بر کیفیت و قیمت زغال فعال تاثیر می‌گذارند.

نکات ایمنی و خرید کربن اکتیو

اولین نکته جهت خرید کربن اکتیو مرغوب توجه به آنالیز آن است که در برگه اطلاعات محصول (Data sheet) آن آمده است. با توجه به داده‌هایی که از این لیست به دست می‌آید، می‌توان انتخاب را به درستی انجام داد. هر یک از علائم این جدول در قسمت بعد توضیح داده شده‌اند.

عدد یدی (Iodine Number)

بسیاری از کربن‌ها به صورت ترجیحی مولکول‌های کوچک را جذب می‌کنند. شماره ید اساسی ترین پارامتری است که برای توصیف عملکرد فعالیت کربن استفاده می‌شود. این عدد معیاری از اندازه گیری میزان فعالیت کربن است که اغلب در واحد میلی‌گرم بر گرم گزارش می‌شود. مفهوم این عدد، مقدار ید جذب شده بر حسب میلی‌گرم توسط ۱ گرم کربن اکتیو است. هر چه این شماره بالاتر باشد، نشان از فعالیت بالاتر آن دارد. معمولا دامنه عدد گزارش شده بین ۵۰۰-۱۲۰۰ است.

اندازه ذرات (Particle Size)

هرچه اندازه ذرات یک زغال فعال ریزتر باشد، دسترسی به سطح ویژه بیشتر، بهتر و در نتیجه سرعت جذب بالاتر خواهد بود. لذا، در مورد استفاده از این نوع کربن برای جذب مواد معدنی مانند طلا، اندازه ذرات باید در محدوده ۴/۱ تا ۳۵/۳ میلی‌متر باشند. کربن فعال شده با اندازه ذرات کمتر از ۱ میلی‌متر برای شستشو مناسب نیست.

اندازه ذرات را در برگه‌ی اطلاعات با واحد مش بیان می‌کنند. در اصل مش تعداد مربع‌های الک در یک اینچ است. تبدیل مش به میکرومتر طبق استاندارد ASTM از طریق جدول زیر امکان‌پذیر است.

مقدار خاکستر (Ash Content)

وجود خاکستر باعث کاهش فعالیت کلی کربن شده و توانایی فعالسازی مجدد آن را کاهش می‌دهد. این مقدار به طور انحصاری به ماده اولیه‌ای که برای تولید کربن اکتیو استفاده می‌شود، بستگی دارد. برای جلوگیری از مسمومیت با فلزات سنگین و رشد اضافی جلبک، باید از کربنی با محتوای خاکستر کم‌ محلول استفاده کرد.

PH

این پارامتر اساسی نقش تعیین‌کننده‌ای را در کاربرد زغال فعال ایفا می‌کند. به طوری که از تغییر PH در حذف یک عامل خاص از یک سیال استفاده می‌شود. برای مثال، حذف رنگ از یک محلول آبی.

سختی (Hardness)

سختی یکی از شاخص‌های اساسی در مقاومت زغال اکتیو در برابر نیروهای اصطکاک و حفظ یکپارچگی آن است. این شاخص با توجه به میزان فعالیت کربن و ماده اولیه در هر نوع، متفاوت است.

چگالی بالک (Bulk density)

چگالی بالک کربن‌های اکتیو به طور معمول بین ۲۰۰۰ تا ۲۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب خواهد بود. تراکم بالاتر، فعالیت حجمی بیشتری را فراهم می‌کند و به طور معمول کربن فعال شده با کیفیت بهتری را نشان می‌دهد.