کربن اکتیو (کربن فعال-زغال فعال-activated carbon active)

خواص کربن فعال

یک گرم کربن فعال می ­تواند مساحت سطحی بیش از ۵۰۰m2 داشته باشد که این عدد می­تواند به ۱۵۰۰m2 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 کرن توسط حواس انسان قابل تشخیص نیست و سمی و کشنده است.

ویژگی­ های جذبی و فیزیکی

گونه­ های مختلفی از زغال ­های فعال شده با ویژگی ­های مشخص وجود دارند که خصوصیات هر یک از آنها به مواد اولیه و فنون به کار رفته در تولید آنها بستگی دارد. در انتخاب یک گونه زغال فعال شده، برای بهبود بخشیدن به فرآیندها، شناخت دقیق ویژگی­ های فیزیکی و جذبی مواد مورد نیاز است.

ویژگی ­های جذبی:

• سطح: با استفاده از N2 حدود منافذ سطحی زغال فعال شده را اندازه می ­گیرند. هرچه سطح زغال فعال شده بیشتر باشد، قسمت ­های جاذب نیز بیشترند.
• اندازه منافذ: تعیین اندازه های یک زغال فعال شده می ­تواند راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن باشد. بر طبق اصول IUPAC  منافذ بر اساس اندازه به صورت زیر دسته ­بندی شده­ اند:

Micropores: r<1 nm

Mesopores: r=1-25 nm

Micropores: r>25 nm

• که mesopore ها برای جابه ­جایی و Micropore ها برای جذب مواد هستند. بطور کلی هر چقدرکه اندازه ذرات زغال فعال شده کوچکتر باشد، سرعت جذب بیشتر است.
• تخلخل: یکی از راه های اندازه ­گیری میزان تخلخل در توده ­ای از زغال فعال شده، استفاده از میزان جذب CCl4  خالص در حالت گازی می ­باشد.

ویژگی ­های فیزیکی:

• سختی و مقاومت در برابر حرارت و فشار: زغال ­های فعال شده دارای سختی­ های متفاوتی هستند که مربوط به مواد اولیه و شیوه تهیه آنها می ­باشد و بنا به درجه سختی، هر یک از آنها کاربردهای متفاوتی دارند.

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

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.

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.