كربن فعال
كربن فعال يا زغال فعال عنصر متخلخلي است كه تركيبات عمدتاً آلي موجود در گاز يا مايع را به دام مي اندازد. اين كار را با چنان اثربخشي انجام مي دهد كه پركاربردترين عامل تصفيه كننده توسط انسان است.
تركيبات آلي از متابوليسم موجودات زنده به دست مي آيند و ساختار اصلي آنها از زنجيره اي از اتم هاي كربن و هيدروژن تشكيل شده است. از جمله تمام مشتقات دنياي نباتي و جانوري از جمله روغن و تركيبات حاصل از آن است.
خاصيت يك جامد براي چسبيدن يك مولكول در حال جريان به ديواره هاي خود را "جذب" مي گويند. جامد را "جاذب" و مولكول "جذب" ناميده مي شود.
پس از فيلتراسيون كه براي حذف جامدات موجود در يك سيال در نظر گرفته شده است - هيچ فرآيند خالص سازي با كاربردهاي بيشتر از كربن فعال وجود ندارد.
كاربرد كربن فعال چيست؟
تصفيه آب
كربن فعال آفتكشها، چربيها، روغنها، مواد شوينده، محصولات جانبي ضدعفوني، سموم، تركيبات توليدكننده رنگ، تركيبات توليد شده از تجزيه جلبكها، سبزيجات يا متابوليسم حيوانات را حفظ ميكند.
بو زدايي و تصفيه هوا
به عنوان مثال در ماسكهاي كارتريجي، سيستمهاي گردش هوا در فضاهاي عمومي، دريچههاي زهكشي و تصفيهخانههاي آب، غرفههاي كاربرد رنگ، فضاي ذخيرهسازي كلاه يا استفاده از حلالهاي آلي.
درمان افراد مبتلا به مسموميت حاد
كربن فعال يك "پادزهر جهاني" در نظر گرفته مي شود و در اورژانس ها و بيمارستان ها استفاده مي شود.
تصفيه شكر
زغال سنگ پروتئين هايي را حفظ مي كند كه به آب نيشكر رنگ مي دهند. هدف اصلي اين فرآيند جلوگيري از تخمير و فاسد شدن شكر است.
حذف رنگ روغن گياهي
رنگ را از روغن نارگيل، گلوكز ذرت و ساير مايعات مورد استفاده در صنايع غذايي پاك مي كند.
رفع بو و حذف رنگ تقطير الكلي
رنگ و بو را از شراب هاي انگور پاك مي كند و عرقيات از منابع ديگر را از بين مي برد.
بازيابي طلا
طلايي كه با فرآيند شناورسازي از مواد معدني جدا نمي شود، در سيانيد سديم حل شده و به كربن فعال جذب مي شود.
كربن فعال چگونه كار مي كند و چه فوايدي دارد؟
كربن فعال يك محيط جاذب است، وظيفه آن جذب مولكول هاي آلي در ريز منافذ آن است. با استفاده از فرآيندهاي حرارتي يا شيميايي براي افزايش ظرفيت جذب آن فعال مي شود.
توضيح گرافيكي ساده در مورد نحوه عملكرد كربن فعال را در زير مشاهده مي كنيد.
از سوي ديگر، كربن فعال جاذب نيست را در تصاوير زير مشاهده مي كنيد.
چه چيزي به كربن فعال خاصيت جذب، عمدتاً مولكول هاي آلي مي دهد؟
هر ذره كربني قابليت جذب دارد. به همين دليل است كه برخي افراد براي از بين بردن بوها، كربن را در يخچال قرار مي دهند. اگر كربن را در يك ظرف آب قرار دهيد، همين امر صادق است: رنگ، طعم و بو را از بين مي برد. يا در حومه شهر، مردم تورتيلا را مي سوزانند و براي رفع مشكلات گوارشي (مانند عفونت هاي خفيف، سوء هاضمه يا نفخ آن) مي خورند.
فعال كردن كربن شامل متخلخل ساختن آن براي افزايش ظرفيت جذب آن است. يك گرم كربن داراي مساحتي در حدود 50 متر مربع است. با فرآيند فعال سازي به 600 يا 800 متر مربع مي رسد. يعني بين 12 تا 16 برابر افزايش مي يابد.
اتم هاي كربن
اتمهاي كربني كه جامدي را تشكيل ميدهند كه ما آن را «كربن» ميناميم، توسط پيوندهاي كووالانسي به يكديگر متصل ميشوند. هر اتم يك الكترون با چهار اتم كربن ديگر به اشتراك مي گذارد (به ياد داشته باشيد كه در كران هاي يوني، الكترونگاتيوترين اتم يك يا چند الكترون را از ديگري مي دزدد).
اتم هايي كه روي سطح نيستند، چهار پيوند خود را در همه جهات توزيع مي كنند. اما اتم هاي سطحي، اگرچه به چهار اتم ديگر متصل هستند، اما در فضاي كمتري مجبور به انجام اين كار مي شوند و عدم تعادل نيروها در آنها باقي مي ماند. اين عدم تعادل همان چيزي است كه آنها را با ،به دام انداختن مولكولي از مايعي كه كربن را احاطه كرده است، سوق مي دهد.
نيروي لندن
نيرويي كه اتم كربن سطح ديگري را به دام مي اندازد، "نيروي لندن" ناميده مي شود كه يكي از هفت نوع "نيروهاي وان در والس" است. اين يك پيوند فيزيكوشيميايي در نظر گرفته ميشود، به اندازهاي قوي كه بتواند جذبكننده را حفظ كند، اما نه آنقدر قوي كه به عنوان يك پيوند شيميايي برگشتناپذير در نظر گرفته شود كه ساختار مولكولي جديدي را تشكيل ميدهد. بنابراين، جذب برگشت پذير است و كربن فعال مي تواند دوباره براي استفاده فعال شود.
همانطور كه گفتيم، مولكول هايي كه كربن جذب مي كند تمايل به پيوند كووالانسي دارند و پيوند آتها يوني نيست، زيرا دومي سعي مي كند الكترون ها را بدزدد يا به اتم هاي كربن اهدا كند. پيوندهاي بين اتم هاي كربن و هيدروژن كووالانسي هستند و به همين دليل است كه كربن جاذب خوبي براي مولكول هاي آلي است.
همه مولكول هاي آلي تمايل به كووالانسي ندارند. آنها معمولاً حاوي اكسيژن، گوگرد و ساير اتمهاي الكترونگاتيوي بالا هستند كه به بخشي از مولكول كه آنها را در بر مي گيرد تمايل يوني مي دهد. از سوي ديگر، همه مولكول هاي معدني تمايل به يوني ندارند و تمايل كووالانسي دارند. در مورد دي سيانيد طلا كه كربن فعال را به بخشي ضروري از فرآيند استخراج اين فلز گرانبها تبديل مي كند، چنين است.
از كدام مواد خام مي توان كربن فعال به دست آورد؟
در تئوري، هر ذره كربني مي تواند فعال شود. با اين حال، اگر كربن بسيار منظم باشد (مانند الماس يا گرافيت)، حذف برخي اتمهاي كربن براي ايجاد منافذ دشوار است.
يكي از راههاي طبقهبندي كربنها بر اساس ترتيب اتمهاي كربن آنها است. هرچه سفارش كمتري داشته باشد، سختي كربن كمتر است و به راحتي مي توان آن را فعال كرد.
پوسته نارگيل و زغال چوب
متداولترين مواد خام مورد استفاده براي توليد كربن فعال عبارتند از: چوبهاي نرم (مانند كاج)، كربنهاي معدني زغال سنگ (زغالسنگ، قير و آنتراسيت) و پوستهها يا استخوانهاي گياهي (پوسته نارگيل، چالههاي زيتون يا هلو، پوست گردو).
كربنهاي فعال ساخته شده از چوبهاي نرم، منافذ با قطر بزرگ را تشكيل ميدهند و براي رنگدهي مايعات مناسب هستند.
زغال سنگ معدني
آنهايي كه از زغال سنگ ساخته مي شوند، تمايل دارند طيف وسيعي از منافذ را تشكيل دهند. آنها معمولاً براي كاربردهايي كه تركيباتي كه بايد حفظ شوند داراي اندازه هاي مولكولي مختلف هستند مناسب تر هستند.
آنهايي كه از پوسته يا استخوان سخت به وجود مي آيند، منافذ كوچكي را تشكيل مي دهند و در تصفيه گازها يا در تصفيه آب خروجي از چاه ها به كار مي روند.
شكل فيزيكي كربن فعال چيست؟
كربن را مي توان به صورت پودر، گرانول يا گلوله هاي استوانه اي توليد كرد.
كربن پودري فقط در تصفيه مايعات استفاده مي شود. زغال سنگ در يك مخزن با هم زدن ريز مي شود و سپس با استفاده از يك فيلتر مناسب براي حفظ ذرات كوچك (مانند فيلتر پرس) از مايع جدا مي شود.
در مورد زغال سنگ دانه اي در محدوده هاي ذرات مختلفي توليد مي شود كه بر اساس اندازه ذرات يا عدد مش مشخص مي شود. به عنوان مثال، مش 4، مشكي است كه در هر اينچ خطي چهار سوراخ دارد. آنها هم در تصفيه مايعات و هم در گازها كاربرد دارند.
گلوله ها معمولاً در تصفيه گاز استفاده مي شوند، زيرا شكل استوانه اي آنها افت فشار كمتري ايجاد مي كند.
اگر كربن يا گلوله دانه اي مورد نظر باشد وماده خام به اندازه كافي سخت نباشد، مي توان آن را با استفاده يك ماده اتصال دهنده كه به آن قوام مي دهد تقويت كرد تا از شكستن آن هنگام عبور سيال جلوگيري كند.
كربن چگونه فعال مي شود؟
فرايند حرارتي
كربن را مي توان با فرآيندهاي حرارتي يا شيميايي فعال كرد. فرآيندهاي حرارتي شامل تحريك اكسيداسيون جزئي كربن، براي رسيدن به تشكيل منافذ، اما اجتناب از گاز شدن و از دست دادن كربن بيشتر از حد لازم است. اين در دماهاي بين 600 تا 1100 درجه سانتيگراد (1112 درجه فارنهايت و 2012 درجه فارنهايت) و در اتمسفر كنترل شده (كه با تزريق مقدار مناسبي از بخار آب يا نيتروژن حاصل مي شود) رخ مي دهد.
فرايند شيميايي
قبل از كربن شدن فرآيندهاي شيميايي از مواد خام شروع مي شود. اين معرف ها عوامل كم آب كننده (مانند اسيد فسفريك) هستند كه پيوندهايي را كه زنجيره هاي سلولزي را به يكديگر متصل مي كنند، مي شكنند. پس از اين مرحله، مواد در دماي نسبتاً پايين (حدود 550 درجه سانتيگراد يا 1022 درجه فارنهايت) كربنيزه مي شوند و سپس براي حذف بقاياي معرف و ساير محصولات جانبي شسته مي شوند.
كوره هايي كه در آنها كربن به صورت حرارتي فعال مي شود يا كربني كه قبلاً با يك ماده شيميايي كربنيزه شده است، مي توانند دوار يا عمودي (مرحله اي) باشند.
ظرفيت جذب كربن فعال چقدر است؟
ظرفيت يك كربن فعال براي حفظ يك ماده معين نه تنها با مساحت سطح آن مشخص ميشود، بلكه با نسبت منافذي كه اندازه مناسبي دارند نيز مشخص ميشود، يعني يك كربن مناسب قطري بين يك تا پنج برابر مولكول مورد نظر دارد.
زغال فعال در دكلره چگونه عمل مي كند؟
دكلره يك مكانيسم پيچيده دارد و مسيرهاي واكنش مختلفي را دنبال مي كند كه در آن كربن فعال مي تواند به عنوان يك واكنش دهنده يا يك كاتاليزور دخالت كند.
كلر آزاد را مي توان به صورت گاز كلر، محلول هيپوكلريت سديم يا جداول هيپوكلريت كلسيم (گرانول) به آب اضافه كرد.
در هر يك از اين موارد، كلر به شكل اسيد هيپوكلرو (HOCl) حل مي شود، اسيد ضعيفي كه تمايل به تجزيه جزئي دارد.
توزيع بين اسيد هيپوكلروس و يون هيپوكلريت به pH و غلظت اين گونه ها بستگي دارد. هر دو شكل مولكولي به عنوان كلر آزاد تعريف مي شوند.
هر دو اكسيدان قوي هستند كه وقتي به آب اضافه ميشوند تقريباً بلافاصله با ناخالصيهاي آلي و معدني واكنش نشان ميدهند و يك اثر بيوسيدال روي ميكروارگانيسمها اعمال ميكنند.
كلري كه واكنش نشان مي دهد و آن كه در اين مرحله از گندزدايي مداخله مي كند، آزاد نمي ماند و تركيب مي ماند و آزاد نمي ماند. هنگامي كه اين مرحله به پايان رسيد، لازم است كلر آزاد باقيمانده را با استفاده از كربن فعال دانه اي حذف كنيد.
هنگامي كه كربن در معرض كلر آزاد قرار مي گيرد، واكنش هايي رخ مي دهد كه در آن HOCl يا OCl به يون كلريد كاهش مي يابد. اين كاهش نتيجه مسيرهاي مختلف واكنش هاي ممكن است.
در دو مورد از رايج ترين آنها، GAC بر اساس واكنش هاي زير عمل مي كند:
جايي كه C نشان دهنده كربن فعال است. CO و CO2 اكسيدهاي سطحي هستند كه به تدريج فضاهايي را اشغال مي كنند كه در صورت مسدود شدن، ديگر در واكنش شركت نمي كنند. برخي از اين اكسيدها به صورت CO و CO2 در محلول آزاد مي شوند. اين كار دوباره فضاهايي را در دسترس مي گذارد كه بنابراين ظرفيت كربن فعال دانه اي براي اين واكنش را افزايش مي دهد.
در مورد كلر نيز در اولين لحظات عمليات روي سطح زغال سنگ تجمع مي يابد. با ادامه رسيدن HOCl يا OCl به سطح كربن، سرعت واكنش كمي كاهش مي يابد و سپس كلر شروع به آزاد شدن مي كند. اين كاهش سرعت به دليل مسموميت كربن توسط اكسيدهاي سطحي است. اين مسموميت به تدريج ادامه مي يابد، در حالي كه ظرفيت جذب و كلر زدايي كربن فعال كاهش مي يابد.
در واكنش هاي فوق مي توانيد به جاي HOCl مداخله كنيد، با اين تفاوت كه H+ توليد نمي شود. مشاهده مي شود كه كربن فعال واكنش نشان مي دهد و بنابراين ناپديد مي شود. اگر اكسيدهاي سطحي انباشته نمي شد، واكنش تا ناپديد شدن كامل كربن ادامه مي يافت.
چه نوع كربني براي سفيد كردن مناسب است؟
رنگ هايي كه در مايعات ظاهر مي شوند معمولاً مولكول هاي نسبتاً بزرگي هستند. بنابراين، آنها در منافذ بزرگ جذب مي شوند، كه باعث مي شود كربن براي حفظ آنهايي كه داراي بيشترين تخلخل هستند، مناسب تر باشد.
زغال چوب، به ويژه آنهايي كه از چوب هاي نه چندان سخت (مانند كاج) كه از نظر شيميايي فعال مي شوند، بيشترين درشت تخلخل را دارند و بنابراين مناسب ترين براي تغيير رنگ هستند.
مشكل اين كربن ها اين است كه خيلي سخت نيستند و در برابر سايش مقاومت چنداني ندارند، به اين معني كه بايد به صورت پودر اعمال شوند. هنگامي كه كربن سفيد كننده نياز به دانه بندي دارد، بهترين جايگزين معمولاً كربن ليگنيت است. اين كربن با بيشترين درشت تخلخل است.
كدام نوع كربن فعال براي تصفيه آب مناسب است؟
آلاينده هايي كه معمولاً در آب چاه وجود دارند معمولاً با وزن مولكولي كم هستند و براي اين موارد مناسب ترين كربن كربني با ريزتخلخل بالا است.
كربن هايي كه به بهترين وجه اين شرايط را برآورده مي كنند، اولاً كربن هاي پوسته نارگيل و متعاقباً مواد معدني قير هستند.
چرا هنگام نصب كربن بكر، pH آب تغيير مي كند؟
هنگامي كه يك كربن با مواد شيميايي فعال مي شود، حذف تمام مواد شيميايي استفاده شده از محصول نهايي براي سازنده غيرعملي و غير ضروري است. بنابراين، اگر ماده شيميايي يك اسيد باشد، pH اولين ليتر آبي را كه با كربن تماس پيدا مي كند، كاهش مي دهد. اگر ماده شيميايي مورد استفاده قليايي باشد برعكس اتفاق مي افتد.
در مورد كربن فعال حرارتي (بدون وجود مواد شيميايي غير از بخار آب و گازهاي حاصل از احتراق)، pH اولين ليتر آب تصفيه شده با آن افزايش مي يابد.
زيرا همه سبزيجات داراي مقادير قابل توجهي سديم، پتاسيم، كلسيم و ساير كاتيون ها هستند كه در فرآيند كربنيزاسيون، به شكل اكسيد در كربن باقي مي مانند. اين اكسيدها در تماس با آب به هيدروكسيد تبديل مي شوند و در آب حل مي شوند و PH آن را افزايش مي دهند.
هنگامي كه PH اولين ليتر آبي كه با كربن تماس پيدا مي كند تغيير نمي كند، مي تواند يك كربن با pH تنظيم شده يا يك كربن فوق خالص (بدون محلول) باشد.
تماس با ما:
تماس باما
برچسب:
كربن فعال ،زغال فعال،
ادامه مطلب
امتیاز دهید:
رتبه از پنج:
0
بازدید: