کربن اکتیو یا کربن فعال چیست و چه کاربردی دارد؟
کربن فعال (Activated carbon) یا کربن اکتیو به گروهی از مواد کربنی با تخلخل و سطح ویژه بالا اطلاق می شود. که به دلیل سطح موثر قابل توجه، ساختار متخلخل، منافذ بسیار زیاد و ظرفیت جذب بالا در صنعت تصفیه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرند.
آنچه که در ادامه خواهید خواند:
- کربن فعال یا کربن اکتیو چیست؟
- انواع کربن اکتیو
- عوامل موثربر عملکرد کربن اکتیو در آب
- کربن فعال خوراکی پودری
- کاربرد کربن اکتیو پودری خوراکی
- کاربرد های کربن اکتیو
- نحوه تولید کربن فعال
- فعال سازی کربن فعال
- مشخصات عمومی انواع کربن اکتیو
- پارامترهای اندازه گیری کیفیت جذ ب کربن فعال
- برندهای کربن فعال
- قیمت کربن فعال
کربن فعال یا کربن اکتیو چیست؟
کربن اکتیو بدلیل داشتن سطح داخلی بسیار بالا ( ۵۰۰ تا ۳۰۰۰ متر مربع به ازای هر گرم) دارای خصوصیات منحصر بفردی است. زغال فعال میتواند موادی نظیر مواد معدنی غیر قطبی ( روغنهای معدنی، هیدروکربورهای پلی آروماتیک، کلراید)، مواد هالوژنه ( کلر، برم، فلوئور، ید)، عطر و طعم و مواد غیر قطبی محلول در آب را حذف کند.
در صورتیکه با میکروسکوپ الکترونی به ذرات کربن نگاه کنیم. انواع مختلفی از حفرات در ذرات کربن وجود دارند. هر چه سطوح شبه گرافیتی موازی با فواصل چند نانومتر در کربن بیشتر باشد، کربن اکتیو با کیفیت تری تولید شده است. چنین منافذی شرایط مناسبی را برای جذب فراهم می کنند. زیرا در این حالت امکان تماس ناخالصی ها در زمان کم و با میزان سطح بالا فراهم می شود.
از نظر فیزیکی کربن اکتیو ذرات ناخالصی را با نیروی واندروالسی به دام می اندازد. به همین دلیل امکان جذب بسیاری از مواد شیمیایی نظیر الکل ها، دی اُل ها، اسید ها و بازهای قوی و اکثر مواد معدنی نظیر لیتیم، سدیم، آهن، سرب، آرسنیک، فلوئور و … توسط کربن فعال وجود ندارد.
همچنین در فاز گاز کربن اکتیو امکان جذب منو اکسید کربن را ندارد. این نکته ای است که کسانی که از ماسک های حاوی فیلتر های کربن استفاده می کنند باید به آن توجه ویژه داشته باشند.
دسته بندی کربن به روش های متفاوتی انجام می شود. ولی متداولترین آنها بر اساس سایز ذرات، روشهای فرآوری و کاربردهای کربن است.
انواع کربن اکتیو
کربن اکتیو دارای سه حالت پودری (PAC )، گرانولی ( GAC )و میله ای(EAC ) است. عموما در صنعت آب و فاضلاب از کربن گرانولی استفاده می شود . در صنعت تصفیه هوا از کربن اکتیو پودری استفاده می شود. انواع کربن فعال معمولا بر اساس شکل ظاهری و اندازه منافذ به سه دسته کلی طبقه بندی می شود .که عبارتند از:
-
کربن فعال پودری (Powder Activated Carbon)
کربن فعال پودری که به اختصار PAC نامیده می شود. کوچکترین اندازه ذرات را دارا هستند. این مواد پودری با قدرت جذب بالا حاوی ذرات با اندازه های کم تر از یک میلی متر می باشند .
کربن اکتیو پودری عموما شامل ذراتی با قطر کمتر از ۱ میلی متر و قطر متوسط ذرات بین ۰٫۱۵ تا ۰٫۲۵ میلی متر ( مش ۵۰) است. بر اساس استاندارد ASTM کربن پودری به کربنی اطلاق می شود که ذرات آن از الک با مش ۸۰ (۰٫۱۷۷ میلی متر) عبور کنند.
این نوع کربن عموما بطور مستقیم به واحدهای فرآیندی نظیر پیش تصفیه آب خام، استخرهای اختلاط سریع، زلال ساز ها ( Clarifier) ، واحدهای تصفیه روغن خوراکی و …. تزریق می شوند.
-
کربن فعال گرانولی (Granular Activated Carbon)
کربن گرانولی (GAC ) دارای ذرات بزرگتر با قدرت جذب کمتر نسبت به کربن پودری هستند. این نوع کربن ها برای جذب گازها و بخارات مفید هستند .هم چنین برای جلوگیری از عبور آلاینده ها در تصفیه آب استفاده می شوند .از ویژگی های این نوع کربن می توان به سختی و مقاومت بالا و سرعت نفوذ گازها برای جذب اشاره کرد .هم چنین این کربن میتواند دوباره بازیابی شده و مورد استفاده قرار گیرد.
کربن گرانولی دارای ذرات بزرگتری نسبت به کربن پودری است. و بالطبع سطح ویژه کمتری نسبت به آن دارد. از این نوع کربن عموما برای صنایع تصفیه آب و تصفیه هوا مورد استفاده قرار می گیرد. این کربن ها عموما در سایز های ۲۰*۸، ۲۰*۴ و ۳۰*۸ برای فاز مایع و ۶*۴ و ۸*۴ و ۱۰*۴ برای فاز گاز مورد استفاده قرار می گیرند.
-
کربن فعال میله ای (Extruded Activated Carbon)
کربن میله ای (EAC ) یا اکسترود به شکل استوانه هایی با قطر حدود ۰/۸ تا ۱۳۰ میلی متر هستند. کربن اکسترود از کربن فعال پودری ساخته می شوند .از ویژگی های این دسته از کربن ها می توان به افت فشار کم و قدرت مکانیکی بالا اشاره کرد. این کربن ها عمدتا بعنوان جاذب فاز گازی به کار می روند. هم چنین بمنظور حذف رنگ و بو و طعم و کلر در صنعت تصفیه آب کاربرد دارند .
عوامل موثر بر عملکرد کربن اکتیو در آب
آلاینده هایی که در آب ورودی به فیلتر کربنی موجود هستند جذب یکسانی توسط کربن ندارند. از عوامل مهمی که در جذب مواد توسط کربن و میزان عملکرد آن موثر است میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- نوع موادی که باید حذف شوند : ترکیباتی که جرم مولکولی بالا و حلالیت کمی در آب دارند ، درصد جذب بالاتری نسبت به مواد با جرم مولکولی کم دارند .
- غلظت ترکیباتی که باید حذف شوند : هر چقدر غلظت آلاینده ها در آب بیشتر باشد مقدار کربن بیشتری جهت حذف آنها مصرف میشود .
- pH آب : بعنوان مثال ترکیبات اسیدی موجود در آب در pH پایین تر بهتر جذب میشوند.
کربن فعال خوراکی پودری
کربن پودری خوراکی از انواع کربن های فعال یا اکتیو است که اغلب بعنوان رنگ زدا در صنایع غذایی و نوشیدنی مورد استفاده قرار می گیرد .کربن پودری خوراکی ماده ای سیاه ، بی بو و بدون طعم است که در صنایع مختلف کاربرد دارد . از مهم ترین انواع کربن اکتیو خوراکی پودری که در بازار ایران نیز موجود است می توان کربن اکتیو پودری خوراکی برند جاکوبی را نام برد.
کربن فعال پودری دارای ویژگی هایی است که آن را برای استفاده در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی و تصفیه آب مناسب می سازد .از جمله این ویژگی ها عبارتند از:
- حذف بو : کربن پودری خوراکی با جذب ناخالصی ها منجر به حذف بوی نامطلوب در نوشیدنی ها و غذاها میشود .
- خاصیت جذب : کربن خوراکی پودری ناخالصی های موجود در آب مانند آفت کش ها ، سموم و سایر مواد شیمیایی ها از جمله فلزات سنگین را جذب و از آب حذف می کند .
- افزایش ماندگاری : کربن اکتیو پودری با جذب ترکیباتی که منجر به فساد مواد غذایی می شوند ، منجر به افزایش ماندگاری مواد غذایی و نوشیدنی ها می شوند .
- سم زدایی : معمولا کربن پودری خوراکی به علت جذب بالای مواد شیمیایی در موارد مسمومیت غذایی مورد استفاده قرار می گیرد و با کاهش جذب مواد مضر در دستگاه گوارش ، نقش مهمی در سم زدایی دارد.
کاربرد کربن اکتیو پودری خوراکی
کربن اکتیو خوراکی پودری به دلیل ویژگی هایی که به آنها اشاره شد کاربردها ی فراوانی دارد که به چند نمونه از مهم ترین کاربردهای آن می پردازیم :
- جذب رنگ دانه های گیاهی
- از بین برنده ی رنگ و بو و طعم نامطلوب نوشیدنی ها
- تهیه ماسک کربن
- تولید آب با خلوص بالا
- رنگ زدایی و حذف بوی روغن خوراکی
- کافئین زدایی در قهوه و چای
- تصفیه گازهای نیتروژن ، سولفید هیدروژن ، دی اکسید کربن موجود در هوا
مواد اولیه مورد استفاده برای تولید کربن فعال
کربن های اکتیو مورد استفاده در صنایع گوناگون از مواد اولیه متفاوتی ساخته شده اند. بسته به نوع مواد اولیه (سلولزی ، کربنی،پلیمری) کربن های فعال به گروه های مختلفی طبقه بندی می شوند .برای ساخت کربن فعال از موادی مانند پوست میوه ها (پوست نارگیل ، فندق ، بادام ،گردو) ،چوب و استخوان استفاده می شود نوع خاصی از کربن های فعال با زغال سنگ بیتومینه تولید می شوند.
کاربردهای کربن اکتیو
کاربرد های کربن فعال بسیار متنوع است. از جمله آنها میتوان به کاربردهای پزشکی، آرایشی و بهداشتی ، صنعت تصفیه آب، تصفیه گاز و …. اشاره کرد :
-
کاربرد کربن اکتیو در تصفیه آب و فاضلاب
همانطور که قبلا نیز اشاره شد ویژگی های کربن اکتیو و روش جذب سطحی کربن فعال باعث شده است تا در صنعت تصفیه آب و فاضلاب کاربرد داشته باشند. کربن ها مواد متخلخلی هستند که قابلیت جذب بالایی دارند و درپیش تصفیه سیستم های اسمز معکوس ( فیلتر های کربنی ) جهت حذف رنگ و بو و طعم آب استفاده می شوند. تصفیه آبهای زیر زمینی، حذف کلر از آب، تصفیه آب استخر و تصفیه نهایی پساب تصفیه شده از جمله کاربردهای متداول استفاده از کربن اکتیو در صنعت آب و فاضلاب است. بمنظور استفاده از خاصیت جذب سطحی کربن، لازمست در فیلتر کربنی بارگیری شود. تا در اثر عبور آب از روی سطح ذرات کربن، عملا حذف ناخالصی ها انجام شود.
متداول ترین سایز کربن مورد استفاده در صنعت آب و فاضلاب کربن ها ۱۲*۴ و ۳۰*۸ هستند. دلیل این موضوع سطح ویژه، دانه بندی ذرات و افت فشار مناسب این نوع کربن در فیلتر های کربنی است. البته باید توجه داشت که استفاده از کربن اکتیو میله ای نیز متداول است. این نوع از کربن از فشرده سازی کربن پودری توسط دستگاه اکسترودر (Extruder) تولید می شود.
بیشتر بخوانید: فیلتر کربنی
-
کاربرد کربن اکتیو در تصفیه هوا
کربن اکتیو میله ای بیشترین کاربرد را در تصفیه هوا و حذف آلاینده های موجود در آن را ایفا می کند. قابلیت بالای کربن در جذب یونهایی با بار منفی باعث شده است تا کاربرد گسترده ای در دستگاه های تصفیه هوا صنعتی و خانگی داشته باشند .
-
کاربرد کربن فعال در صنایع آرایشی و بهداشتی
کربن اکتیو به دلیل توانایی بالا در سفید کردن دندانها در تولید خمیر دندان استفاده می شود. هم چنین به دلیل قدرت جذب سطحی بالای کربن اکتیو ، در تولید کرم های ارایشی و بهداشتی ،ماسک های مخصوص پاکسازی پوست و دیگر محصولات پوستی از این مواد استفاده می شود . کرم های آرایشی حاوی کربن فعال ، مواد و آلودگی های موجود در منافذ پوست را جذب می کنند. و منجر به پاکسازی و شادابی پوست می شوند . استفاده از ماسک زغال جهت تنظیم pH پوست و شفافیت و کاهش منافذ باز پوست بسیار پرکاربرد است.
-
کاربرد کربن اکتیو در صنایع غذایی
کربن به دلیل قابلیت بالا در جذب عطر و بو و طعم مواد غذایی و نوشیدنی کاربرد بسیاری در صنایع غذایی دارد .کربن فعال در صنایع غذایی جهت تصفیه ، خالص سازی و بهبود رنگ آبمیوه ها و نوشیدنی ها استفاده می شوند.
-
کربن اکتیو برای پوست
امروزه استفاده از کربن برای استفاده های پوستی بسیار پرکاربرد شده است. بطوریکه از کربن فعال برای تولید انواع ماسک های صورت مانند ماسک سیاه ، ماسک زغال ، ماسک ورقه ای و ماسک های اسکراب صورت استفاده می شود.در طول روز پوست انسان در معرض آلودگی های مختلف قرار دارد و منافذ پوست تحت تاثیر این آلودگی ها شادابی و طراوت خود را از دست می دهد .ماسک های زغال این آلودگی ها را از منافذ پوست حذف کرده وموجب شادابی و طراوت و تنظیم pH پوست می شوند. هم چنین باعث می شوند تا روند پیری پوست به تعویق بیفتد .کربن تراپی جهت بستن منافذ پوست صورت امروزه ازمهم ترین کاربرد های کربن اکتیو به شمار می رود.
نحوه تولید کربن فعال
برای تولید کربن از روشهای فیزیکی و شیمیایی استفاده می شود. و بسته به نوع روش تولیدی ویژگی ها و کاربرد های کربن تولیدی متفاوت خواهد بود.
ذغال فعال در اثر پیرولیز مواد کربنی نظیر زغال سنگ ، چوب ، پوسته و هسته میوه هایی مانند نارگیل ، گردو ، بادام و … تولید می شود. در هنگام تولید کربن اکتیو در مرحله اول در اثر پیرولیز مواد کربنی در غیاب هوا ، مولکول های غیر آلی تخریب می شود .و یک ماده پودری کربنی به جا می ماند .در مرحله بعد با تزریق بخار عملیات فعال سازی تکمیل و کربن فعال تولید می شود .این ماده دارای سطح ویژه و تخلخل بالایی است.
-
تولید کربن فعال به روش شیمیایی
در این روش چوب درخت نارگیل ،گردو ،فندق و… با اسید سولفوریک مخلوط شده و بدر دمای ۵۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی گراد حرارت داده می شود. از مهم ترین ویژگی های کربن فعال که با این روش تولید می شوند می توان به کربن های فعال با منافذ درشت اشاره کرد .از سایر مواد شیمیایی از جمله کربنات پتاسیم و سدیم نیز برای تولید کربن استفاده می شود.
-
تولید کربن فعال با حرارت و بخار
زمانیکه کربن تولید شده در دمای ۸۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد و در محیط بسته حرارت داده می شود کربن موجود در آنها فعال می شود هم چنین حرارت دهی و تماس با رطوبت هوا در دمای بالا منجر به ایجاد منافذ درشت و ریز بر روی زغال می شود که قدرت جذب بالایی دارند.
فعال سازی کربن اکتیو
با توجه به ماده اولیه مورد استفاده در تولید کربن فعال ( پلیمری، سلولزی و کربنی) می توان از روشهای فیزیکی و شیمیایی برای فعال سازی کربن اکتیو استفاده کرد. نوع روش فعال سازی به ماده اولیه بستگی دارد. بعنوان مثال برای فعال سازی کربن تولید شده از چوب درختان فقط از روش شیمیایی استفاده می شود.
-
فعال سازی شیمیایی کربن فعال
در این روش میتوان کربن را با استفاده از فرآیندهای حرارتی ای شیمیایی فعال کرد. برای فعال سازی شیمیایی کربن از مواد شیمیایی نظیر کربنات پتاسیم استفاده می شود. این روش شامل اکسیداسیون جزیی کربن با هدف تشکیل منافذ در کربن است. فعال سازی شیمیایی کربن بطور معمول در دمای ۶۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد انجام می شود.
-
فعال سازی فیزیکی کربن فعال
در این روش ابتدا ماده اولیه به کمک تقطیر به زغال تبدیل شده و سپس با حرارت دهی سطح آن متخلخل می شود.
بعنوان یک مثال در خصوص دانه بندی کربن، کربن با مش ۴۰*۲۰ شامل ذراتی است که بیش از ۸۵% آنها از الک با مش ۲۰ (۰٫۸۴ میلی متر) عبور می کند و بیش از ۹۵% ذرات عبور کرده، روی الک با مش ۴۰ باقی می مانند.
از زغال فعال میتوان بعنوان بستری برای بهبود راندمان جذب برخی ترکیبات غیر آلی نظیر سولفید هیدروژن (H2S) ، آمونیاک (NH3) ، فرمالدئید (HCOH) ، جیوه (Hg) و ید رادیو اکتیو (I131) استفاده کرد. به این خاصیت Chemisorption گفته می شود که در آن عملا واکنش شیمیایی رخ می دهد و پیوند شیمیایی جدید بین دو ماده بوجود می آید.
به طور کلی کربن اکتیوی که به طور عمومی کاربرد دارد و مورد استفاده واقع می شود باید دارای ظرفیت جذبی کافی، استحکام مکانیکی و خلوص شیمیایی مناسب باشد. از سوی دیگر با هدف بهینه سازی تعادل بین پارامترهای سایز، مساحت و افت فشار در فاز آب، بطور معمول از کربن اکتیو سایز ۳۰×۸ و ۴۰×۱۲ استفاده می شود.
مشخصات عمومی انواع کربن اکتیو
مشخصات عمومی کربن فعال ( مشخصات فیزیکی و شیمیایی ) در جدول زیر ارائه شده است:
پارامترهای اندازه گیری کیفیت جذب کربن فعال
مش (سایز ذرات)، درصد رطوبت، درصد خاکستر، عدد یدی، و دانسیته از جمله پارامتر های مهم در انتخاب کربن اکتیو هستند. هنگام خرید کربن فعال یا کربن اکتیو باید به ویژگی های زیر توجه شود.:
-
عدد یدی (Iodine Number)
عدد یدی عموما با واحد mg/g سنجیده می شود و عبارتست از میلیگرم یدی که یک گرم کربن اکتیو می تواند جذب کند و یک شاخص استاندارد برای کربن های مورد استفاده در فاز مایع است. این عدد مستقیما با تعداد حفره های تا سایز ۲ نانومتر ذرات کربن مرتبط است که ید می تواند در این حفرات جذب شود.
بطور معمول کربن های مورد استفاده در صنعت تصفیه آب و تصفیه فاضلاب عدد یدی بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ میلی گرم بر گرم دارند.
استاندارد ASTM D-4607 نحوه برآورد عدد یدی کربن اکتیو را بیان نموده است.
-
قابلیت حذف کلر (Dechlorination)
برخی از انواع کربن با شاخص حذف کلر سنجیده می شوند. در این شاخص، عمق بستر کربن مورد نیاز برای حذف کلر موجود در سیال از ۵ به ۳/۵ میلی گرم بر لیتر است.هر چه این شاخص پایین تر باشد نشان دهنده کیفیت بهتر کربن است.
-
دانسیته ظاهری (Apparnet Density)
مطابق با تعریف دانسیته، این عدد نشان دهنده جرم یک لیتر کربن است. جرم حجمی کربن جامد عموما بین ۲۰۰۰ تا ۲۱۰۰ کیلو گرم بر متر مکعب است. با توجه به اینکه بخش بزرگی از فاصله بین ذرات کربن از هوا پر شده است دانسیته واقعی کربن کمتر از این مقدار و عموما بین ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. دانسیته بالاتر نشان دهنده کیفیت بالاتر کربن است.
استاندارد (ASTM D2854-9 (2014 نحوه محاسبه جرم حجمی کربن را ارائه نموده است.
-
سختی (عدد سایش)
این شاخص نشان دهنده مقاومت ذرات کربن در برابر فرسودگی ناشی از سایش ذرات در اثر عبور جریان یا شستشوی معکوس است. هر قدر این عدد بالاتر باشد نشان دهنده کیفیت بهتر کربن و سهولت در حمل، بهره برداری و احیای مجدد است.
-
درصد خاکستر (Ash Content)
خاکستر موجود در کربن باعث کاهش عملکرد کربن، همچنین کاهش امکان احیای کربن می شود. میزان خاکستر موجود در کربن با کیفیت مواد مصرفی برای تولید کربن ارتباط مستقیم دارد. اکسید فلزات موجود در کربن می توانند با کلر عبوری واکنش داده و رنگ آب خروجی را تغییر دهند.
میزان خاکستر محلول در آب واسید بسیار مهم تر از خاکستر کل است. محتوای خاکستر محلول برای کاربرد تصفیه در آب پرورش آبزیان بسیار مهم است . در صورت بالا بودن خاکستر قابل انحلال در محلول آب و اسید امکان مسمومیت آبزیان با فلزات سنگین افزایش می یابد. همچنین درصد بالای خاکستر باعث رشد جلبک در آب می شود.
-
pH کربن اکتیو
این پارامتر نشان دهنده اسیدی یا بازی بودن کربن است و ارتباط مستقیم با جنس ماده اولیه و نحوه فرآوری کربن فعال است. بعنوان مثال میزان pH کربن اکتیو پایه نارگیل عموما بین ۹ تا ۱۱ گزارش شده است.
برندهای کربن فعال
کربن وارداتی Jacobi Aquasorb1000 و NORIT GAC830W از جمله کربن های متداول و مرسوم در بازار ایران هستند.
کربن اکتیو جاکوبی ۱۰۰۰ یک نوع کربن اکتیو گرانولی با کیفیت متوسط است. این کربن در مصارف تصفیه آب شهری و تصفیه آب صنعتی کاربرد دارد. کربن اکتیو جاکوبی قابلیت حذف مواد آلی، سموم و آفات و مواد شیمیایی محلول در آب را دارد. عدد یدی این کربن ۸۵۰ است.
کربن اکتیو نوریت GAC830W نیز مشابه کربن اکتیو جاکوبی کاربردهای زیادی دارد. کربن اکتیو نوریت نیز در مصارف آشامیدنی و صنعتی برای حذف رنگ و بو، سموم و آفات نباتی ، مواد آلی و حلال ها کاربرد دارد. این کربن از فعال سازی زغال توسط بخار تولید می شود. این کربن دارای عدد یدی ۱۰۰۰ است و از نظر کیفی از کربن جاکوبی ۱۰۰۰ کیفیت بالاتری دارد.
کربن اکتیو های جاکوبی چینی یا جاکوبا که در بازار ایران متداول هستند عدد یدی پایین تری دارند.
قیمت کربن فعال
بسته به نوع کربن و کیفیت آن قیمت کربن فعال تصفیه آب متفاوت است. و از نظر مقایسه قیمتی کربن فعال نوریت GAC830W بالاترین قیمت و بعد از آن کربن جاکوبی ۱۰۰۰ است. کربن اکتیو جاکوبا و کربن فعال جاکوبی چینی موجود در بازار ایران در رده های قیمتی بعدی هستند.
قبل از خرید کربن فعال جاکوبی ویژگی های آن را بررسی کنید.کربن اکتیو جاکوبی سوئد به دلیل تنوع بالا کاربرد گسترده ای در صنایع دارد .شرکت صنعت تاسیسات میلاش جهت فروش کربن فعال مشاوره رایگان ارائه میدهد و بصورت کیلویی و عمده کربن فعال را به فروش می رساند.
برای اطلاع از مشخصات و قیمت کربن اکتیو و خرید کربن اکتیو خارجی، با کارشناسان شرکت صنعت تاسیسات میلاش تماس بگیرید.