کربن فعال و خواص شگفت انگیز آن

زمان حدودی مطالعه: 6 دقیقه

کربن فعال (زغال فعال) یا کربن اکتیو (Activated Carbon) شکلی از کربن است که بر اثر عملیات پردازش، تخلخل و سطح داخلی آن افزایش می یابد. این ترکیب به‌ دلیل مساحت داخلی قابل توجه، ساختار متخلخل و منفذی، ظرفیت جذب بالا، قابلیت فعال ‌سازی مجدد سطح و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذب ‌های غیرآلی مانند زئولیت، ماده­ ی منحصر به‌ فردی می ‌باشد. 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 می ­توان به رنگبری از محلول شکر، تصفیه آب آشامیدنی، تصفیه پساب 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 بکار گرفت که از میان آنها مواد خام سلولزی نظیر چوب، پوست نارگیل، هسته میوه ­ها و سایر ضایعات کشاورزی، مواد خام کربنی نظیر زغال سنگ، کک نفتی، قیر، قطران زغال سنگ و مواد خام پلیمری شامل ضایعات انواع لاستیک ­ها و پلاستیک ­ها را می توان 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 فلزات: 

بازیافت طلا و فلزات گرانبها

تصفیه گاز:

تصفیه هوا و گاز فشرده

حذف بخارات روغن، بو و دیگر هیدروکربن ­ها از هوا

کاربرد های زیست محیطی:

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

تصفیه هوا (استفاده در دستگاه ­هایی مثل تصفیه کننده ­های هوا، خوشبوکننده ­ها، تصفیه کننده­ های صنعتی )

اندازه گیری غلظت رادون در هوا

کاربردهای کشاورزی:

آفت کش

افزودنی خوراک دام

جذب رنگدانه­ های رنگ قهوه­ای از کنسانتره انگور سفید

صنایع غذایی :

رنگبری از قند و شکر

بهسازی رنگ و طعم در نوشیدنی­ ها و آب میوه ­ها

صنایع شیمیایی:

جداسازی کربوهیدرات­ ها

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 بکار می­ رود. قرص یا کپسول کربن فعال در بسیاری از کشورها به عنوان یک دارو برای درمان اسهال، سوء هاضمه و نفخ استفاده می شود.

خواص کربن فعال

یک گرم کربن فعال می ­تواند مساحت سطحی بیش از ۵۰۰m² داشته باشد که این عدد می­تواند تا بیش از 30۰۰m² هم برسد. آئروژل­ های کربن، که البته گران ­تر هستند، مساحت سطحشان از این هم بالاتر است و در موارد خاص مورد استفاده قرار می­ گیرند. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، ساختارهای با سطح بالای کربن­ های 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 می ­شود. این ترکیب با الکل­ ها، دی ­­اُل ­ها، اسیدها و بازهای قوی، فلزات و اکثر ترکیبات معدنی مثل لیتیم، سدیم، آهن، سرب، آرسنیک، فلوئور و بوریک اسید پیوندهای خوبی ایجاد نمی کند؛ اما یُد (I₂) را خیلی خوب جذب می ­کند. ظرفیت یٌدی (mg/g) برای تعیین مساحت سطح کربن فعال مورد استفاده قرار می­ گیرد.

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

روش ­های تهیه کربن فعال

اصول و فنون گوناگونی در ساخت و تولید زغال­ های 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

۲) فعال­ سازی شیمیایی

روش فعال­ سازی فیزیکی:

در روش فعال­ سازی فیزیکی، ماده خام نخست در محیطی بدون حضور هوا کربونیزه می­ شود 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.

روش فعال ­سازی شیمیایی:

در روش فعال ­سازی شیمیایی که یک روش تک مرحله ­ای برای 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.

جمع بندی و نتیجه گیری:

همانطور که گفته شد کربن فعال دارای خواص و ویژگی های شگفت انگیزی است که باعث استفاده از آن در صنایع مختلف از جمله پتروشیمی ها، معادن، صنایع غذایی، تصفیه

آلاینده های هوا و همینطور تصفیه آب می گردد. این طلای سیاه رنگ که قیمت چندان بالایی ندارد، منجر به ایجاد انقلابی در صنعت فیلتراسیون و تصفیه گردیده است، به طوری که استفاده از کربن فعال در سیستم های تصفیه خانگی آب و هوا را اجتناب ناپذیر نموده است. شرکت نانوگستر کیمیاگران آروند یکی از شرکت های پیشرو در حوزه فناوری های نوین از جمله فناوری ساخت ترکیبات متخلل نظیر کربن فعال می باشد. به طوریکه کربن فعال شرکت نانوگستر کیمیاگران آروند یکی از با کیفیت ترین کربن های ساخت شده در ایران است و از نظر کیفی قابل رقابت با برند های مطرح جهانی می باشد. کربن فعال نانوگستر  به دلیل سختی و سطح ویژه بالا قابل استفاده برای استخراج طلا در معادن است، قابلیتی که سایر کربن های فعال تولید شده در داخل کشور ندارند.

لازم به ذکر است علاقمندان جهت کسب اطلاعات بیشتر راجع به کربن فعال و کاربردهای آن می توانند از دوره آموزشی کربن فعال که توسط دکتر هومن بخشی در سایت بنیاد آموزش فناوری نانو قرار گرفته است، استفاده کنند.

یکی دیگر از نانوساختارهای پر کاربرد نانوذرات گرافن است که می توانید مقاله مربوط به آن را در این صفحه بخوانید.