کربن فعال

کربن فعال 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 و منافذ بسیار زیاد، ظرفیت جذب بالا و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذب های غیرآلی مانند زئولیت ها، مادهٔ منحصربه فردی است. کربن فعال دارای سه حالت پودری (PAC )، گرانولی ( GAC )و میله ای(EAC ) است.

عموما در صنعت آب و فاضلاب از کربن گرانولی و در صنعت تصفیه هوا از کربن اکتیو پودری استفاده می شود.

کربن اکتیو بدلیل داشتن سطح داخلی بسیار بالا ( ۵۰۰ تا ۳۰۰۰ متر مربع به ازای هر گرم) دارای خصوصیات منحصر بفردی است. کربن 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.

ذغال فعال در اثر پیرولیز مواد کربنی نظیر زغال سنگ، چوب، پوسته و هسته میوه هایی مانند نارگیل، گردو، بادام و … کربن تولید می شود. در هنگام تولید کربن اکتیو در مرحله اول در اثر پیرولیز مواد کربنی در غیاب هوا، ملکولهای 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.

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 ار کربن اکتیو میله ای نیز متداول است. این نوع از کربن از فشرده سازی کربن پودری توسط دستگاه اکسترودر (Extruder) تولید می شود.

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 واندر والسی 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.

کربن فعال دارای کاربردهای بسیار متنوعی است. از جمله آنها میتوان به کاربردهای پزشکی، زیست محیطی، صنعت نوشیدنی، تصفیه گاز و …. اشاره کرد.

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 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  PACنامیده 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 استاندار 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 فعال 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 و 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 اکتیو 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 فعال 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 .

مواد اولیه مورد استفاده برای تولید کربن فعال

کربن های فعال 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.

روشهای تولید کربن فعال

برای تولید کربن فعال از روشهای فیزیکی و شیمیایی استفاده می شود و بسته به نوع روش تولیدی ویژگی ها و کاربرد های کربن تولیدی متفاوت خواهد بود

• 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  1100 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، سلولوزی و کربنی) می توان از روشهای فیزیکی و شیمیایی برای فعال سازی کربن فعال 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 شیمایی 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 کربن 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 فعالی 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.

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.

مش (سایز ذرات)، درصد رطوبت، درصد خاکستر، عدد یدی، و دانسیته از جمله پارامتر های مهم در انتخاب کربن اکتیو هستند.

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 کابرد تصفیه در آب پرورش آبزیان بسیار مهم است زیرا 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.

کربن فعال 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 هستند.

قیمت کربن فعال

از نظر مقایسه قیمتی کربن نوریت GAC830W بالاترین قیمت و بعد از آن جاکوبی ۱۰۰۰ است. کربن های جاکوبا و جاکوبی چینی موجود در بازار ایران در رده های قیمتی بعدی هستند.

برای اطلاع از مشخصات کربن اکتیو های موجود، می توانید با کارشناسان شرکت صنعت تاسیسات میلاش تماس بگیرید.