تولید و بررسی خواص کربن فعال

کربن فعال به‌عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی می‌باشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید می‌شود و تحت عملیات فعال‌سازی قرار می‌گیرد. با توجه به نوع موادخام مصرفی، کربن‌های فعال دارای اندازه منفذ و شکل‌های متفاوت هستند و از طرفی با توجه به اندازه منفذ و توزیع اندازه دارای کاربردهای گسترده و ویژه‌ای می‌باشند. در این مقاله مراحل تولید کربن فعال و ساختار منفذی انواع کربن فعال مورد بررسی قرار می‌گیرد.
● مقدمه
کربن فعال به گروهی از مواد اطلاق می‌شود که مساحت سطح داخلی بالا، تخلخل و قابلیت جذب گازها و مایعات شیمیائی را دارند. کربن‌های فعال به‌عنوان جاذب‌های حیاتی در صنایع شناخته شده‌اند و کاربردهای گسترده‌ای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و می‌توان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت موادشیمیائی استفاده نمود. کربن‌های فعال به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذب‌های غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشند. کربن‌های فعال شده به‌دلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح، یک ماده منحصربه‌فرد می‌باشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزه‌های غیردلخواه از آب در عملیات‌های خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا به‌ویژه در رستوران‌ها، صنایع غذائی و شیمیائی می‌باشد، همچنین با موادغیرآلی به‌عنوان کاتالیست نیز استفاده می‌شوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند و به‌عنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز می‌توان از کربن فعال استفاده کرد.کربن‌های فعال‌شده محصولات پیچیده‌ای می‌باشند و به تبع طبقه‌بندی براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده‌سازی آنها مشکل می‌باشد، هر چند یک‌سری طبقه‌بندی براساس مشخصات فیزیکی آنها انجام شده است.
۱. کربن فعال پودری (دارای اندازه‌ای کمتر از ۱۰۰ نامومتو و میانگین قطری بین ۱۵ تا ۲۵ میکرومتر)
۲. کربن فعال گرانولی (دارای اندازه‌ای بزرگ‌تر از کربن فعال شده پودری می‌باشد)
۳. کربن فعال کروی
۴. کربن تزریق شده
۵. کربن روکش شده با پلیمرها
استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده این است که بتواند تا حدود ۲۰% وزنی گاز GB و یا سیانوژن کلراید جذب نماید. اگر کربن فعال تازه باشد و در معرض رطوبت قرار نگرفته باشد خواهد توانست تا ۴۰% وزنی GB جذب نماید. تعداد زیادی از گازهای سمی را می‌توان با گذراندن از کربن فعال شده از هوا جدا کرد، این خاصیت برای مواد شیمیائی با وزن مولکولی بالا از قبیل مواد شیمیائی GB مؤثر می‌باشد، گازهای سبک از قبیل کربن یا سیانوژن کلراید را نمی‌توان به‌راحتی سایر گازها جدا نمود، منواکسید کربن یکی از موادی است که به سختی می‌توان به کمک کربن فعال جذب نمود ولی می‌توان با استفاده از تزریق یک‌سری از موادشیمیائی به کربن فعال، قابلیت جذب این‌گونه مواد را در کربن فعال ایجاد نمود و قدرت بازدارندگی کربن فعال را بالا برد. موادی‌که بدین منظور می‌توان استفاده نمود نمک‌های نقره، مس و کرم می‌باشد.
● مراحل تولید
کربن فعال شده از پیرولیز موادکربنی از قبیل چوب، زغال‌سنگ و هسته میوه‌ها یا پلیمرهای مصنوعی از قبیل ریون، پلی‌اکریلونیتریل یا فنولیک حاصل می‌گردد و در مراحل بعدی تحت عملیات فعال‌سازی قرار می‌گیرد. پیرولیز موادکربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکول‌های غیرآلی می‌شود که یک ماده قیری شکل حاوی موادگازدار خواهد بود و در نهایت یک جسم جامد کربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولیدشده دارای تعداد زیادی حفره‌های بزرگ و دارای سطح ویژه‌ای در حد چندین مترمربع برگرم می‌باشد.
۱. موادخام
از نظر اقتصادی، ترجیحاً موادی با کربن بالا و موادآلی کم برای تولید کربن فعال شده انتخاب می‌شود، ماده تشکیل شده جامد حاصل از عملیات پیرولیز باید دانسیته بالا و همچنین دارای گازهای فرار کافی باشند، آزادسازی گازهای فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذ در کربن می‌شود. دانسیته بالا باعث می‌شود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار گردد موادخام مورد استفاده به ترتیب اهمیت آنها از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهائی و مقدار مصرف عبارتند از: چوب، زغال‌سنگ، سیگمنت (نوعی زغال‌سنگ)، پوست نارگیل و تورب.
۲. کربونیزاسیون
در حین کربونیزاسیون اجزاء غیرکربنی از قبیل هیدروژن و اکسیژن به‌صورت گاز از مواداولیه خارج می‌شوند و کربن‌های آزاد نیز به‌صورت گروهی، بلورهای گرافیت تشکیل می‌دهند. به‌دلیل وجود منافذ در بین بلورها آرایش‌یافتگی بلورها از دو طرف به‌صورت نامنظم می‌باشد. این فرآیند معمولاً در درجه حرارتی زیر ۸۰۰ درجه سانتیگراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر صورت می‌گیرد، پارامترهای مهم تعیین‌کننده کیفیت محصول تولید شده عبارتند از:
۱. نرخ حرارت دادن
۲. دمای نهائی
۳. مدت زمان خیساندن
ساختار ریز منافذ کربن در دمای در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد شکل می‌گیرد. بعضی از این منافذ به‌وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرآیند پیرولیز مسدود می‌شود که می‌توان با حرارت دادن مجدد در ۸۰۰ درجه سانتیگراد دوباره این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد و بیش از آن باعث سخت شدن ساختار کربن و کاهش درجه تخلخل می‌شود.
۳. فعال‌سازی
کربن‌ها را با توجه به آرایش‌یافتگی بلورهای آن به‌صورت گرافیت یا غیرگرافیت تعریف کرده‌اند. کربن‌های گرافیتی دارای بلورهائی با سه بعد یکسان می‌باشند در صورتی‌که در کربن‌های غیرگرافیتی اینگون نمی‌باشد. براساس توضیحات داده شده، در حین کربونیزاسیون سه فضای خالی در کربن ایجاد می‌وشد که در حین کربونیزاسیون به‌وسیله کربن‌های غیرآرایش‌یافته ”آمورف“ مسدود می‌شود. محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب خیلی کمی می‌باشند و احتمالاً این مسئله به‌دلیل کربونیزاسیون در دمای پائین و وجود ماده قیری باقیمانده در منافذ بین بلورها و روی سطح آنها می‌باشد. بعضی از محصولات کربونیزه شده را می‌توان با خارج ساختن موادقیری به‌وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالص‌سازی به کمک حلال و یا واکنش‌های شیمیائی فعال کرد. عمل فعال‌سازی باعث بزرگ شدن قطر حفره‌هائی می‌شود که در حین فرآیند کربونیزاسیون ایجاد شده‌اند و همچنین باعث ایجاد یک‌سری حفره ریز نیز خواهد شد و بدین‌گونه می‌توان به یک ساختار حفره‌ای با مساحت سطح داخلی بالا دست پیدا کرد. پدیده فعال‌سازی به دو روش انجام می‌شود.
الف ـ فعال‌سازی شیمیائی: در ابتدا ماده خام با یک محلول غلیظ از مواد فعال‌کننده اشباع می‌شود و با این عمل، مواد سلولزی از بین می‌روند و تحت عملیات حرارتی در دمای بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد قرار می‌گیرند، مواد پرولیز شده سرد می‌شوند و به منظور خارج ساختن مواد فعال‌کننده، تحت عملیات شستشو قرار می‌گیرند و سپس مواد فعال‌کننده عبارتند از: اسید فسفریک، کلرید روی، اسید سولفوریک و یدید پتاسیم.
ب ـ فعال‌سازی فیزیکی: در این فرآیند به کمک محصولات کربونیزه شده، ابعاد و ساختار مولکولی منافذ گسترش می‌یابد و مساحت سطحی آنها افزایش می‌یابد، این عملیات در دمائی بین ۸۰۰۰ الی ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد با حضور مواد گازی اکسیدکننده مناسب مانند دی‌اکسید کربن و هوا انجام می‌گیرد. برای تبدیل مواد کربونیزه شده به گاز به‌وسیله بخار و دی‌اکسید کربن از واکنش‌های زیر استفاده می‌شود:
(C+H۲O=Co+H۲ (۲۹ kcal
(C+Co۲=۲Co (۳۹ kcal
(Co+H۲O=H۲ (۱۰ kcal
مولکول آب کوچک‌تر از مولکول دی‌اکسیدکربن می‌باشد و در نتیجه سرعت نفوذ آن به‌داخل منافذ کربن بیشتر می‌باشد و سرعت واکنش با بخار بیشتر از سرعت واکنش با گاز دی‌اکسیدکربن می‌باشد.
● ساختار منافذ کربن
منافذ در کربن‌های فعال شده دارای اندازه و شکل‌های متفاوتی می‌باشند. منافذ براساس اندازه آنها به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند.
۱. ماکرومنافذ: دارای میانگین قطری بیشتر از ۵۰ نانومتر می‌باشند.
۲. مزومنافذ: دارای قطری برابر با ۲ الی ۵۰ نانومتر می‌باشند.
۳. میکرومنافذ: دارای قطری کمتر از ۲ نانومتر می‌باشند که خود نیز به سوپر و آلترا میکرو تقسیم می‌شوند.
بعضی از کربن فعال‌ها با توجه به نوع موادخام مصرفی، شکل منفذ موجود در کربن فعال تولید شده متفاوت می‌باشد.
● جذب به‌وسیله کربن فعال شده
جذب عبارت است از قرارگیری لایه‌ای مولکول‌های گاز یا مایع از یک فاز در حال حرکت بر روی سطح یک جسم جامد به کمک نیروی جاذبه مولکولی واندروالس. اتم‌های سطحی جسم جامد کربن فعال در مقایسه با اتم‌های داخلی دارای انرژی موازنه نشده‌ای می‌باشند و مولکول‌های خارجی سعی بر موازنه کردن این انرژی دارند و بر سطح جذب می‌شوند این مولکول‌ها لایه تکی روی سطح جسم جامد را تشکیل می‌دهند. ● کربن‌های فعال پیشرفته
علاوه بر کاربردهای عمومی کربن‌های فعال، کربن‌های فعال پیشرفته‌ای با کنترل مخصوص بر روی ساختار منافذ در چند دهه اخیر برای کاربردهای خاص، ایجاد شده‌اند.
۱. غربال‌کننده‌های مولکولی کربنی (CMS)
غربال‌های کربنی یک کلاس ویژه از کربن‌های فعال می‌باشند که دارای منفد با اندازه کوچک و با یک محدوده توزیع کوچک در حدود میکرو منافذ می‌باشند.این کربن‌ها برای جداسازی و جذب گاز و مایع در محیط‌هائی با غلظت‌های خیلی کم مورد استفاده قرار می‌گیرند. مشابه جذب گاز اتیلن برای تازه نگه‌داشتن میوه و سبزیجات، اغلب کاربرد کربن‌های CMS در سیستم‌های جداسازی گاز می‌باشد. اندازه منفذ در کربن‌های CMS با اندازه مولکول‌های جذب‌شونده نیتروژن و هیدروژن قابل مقایسه می‌باشد. دمای جذب نیز سرعت جذب یک گاز را تحت‌تأثیر خود قرار می‌دهد، در دمای بالا سرعت جذب نیز بالاتر می‌باشند. کربن‌های CMS برای جداسازی نیتروژن و اکسیژن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۲. الیاف کربن فعال
تکنولوژی تولید الیاف کربن فعال شده ترکیبی از تولید الیاف کربن به‌علاوه مراحل فعال‌سازی آن می‌باشد. تا هنگامی‌که خصوصیات مکانیکی بالا مورد نیاز نباشد ترجیح داده می‌شود که الیاف کربن با ساختار آمورف تولید شود. بنابراین فرآیند تولید الیاف کربن فعال شده شامل توسعه الیاف کربن آمورف در دمائی در حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد صورت می‌گیرد. در الیاف کربن حاصل از قیر می‌توان بالاترین مساحت ویژه‌ای در حدود ۲۵۰m^۲/g و بیشترین حجم میکرو منافذ در حدود ۶۱/۱ ml/g را به‌دست آورد.
مهندس حسین بارانی
(عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی بیرجند)

منبع : ماهنامه نساجی امروز