کربن فعال یا اکتیو چیست و چگونه در خانه تولید کنیم؟

کربن فعال  یک ماده متخلخل است که از زغال چوب ، کک از زغال سنگ یا نفت ، پوسته نارگیل و سایر مواد حاوی کربن ساخته شده است. بسته به تکنولوژی ساخت، 1  گرم کربن فعال می تواند دارای سطحی از 500 تا 2200  متر مربع باشد که آن را در جذب مواد مختلف بسیار موثر می کند ، به همین دلیل در پزشکی برای مقابله با مسمومیت با مصرف داخلی قرص های کربن استفاده می شود. و در تولید فیلترهای هوا.

خواص شیمیایی، اصلاح

کربن فعال معمولی یک ترکیب نسبتاً واکنش پذیر است که می تواند توسط اکسیژن اتمسفر و پلاسمای اکسیژن اکسید شود، بخار آب و همچنین دی اکسید کربن و ازن. اکسیداسیون در فاز مایع با تعدادی معرف (HNO 3 , H 2 O 2 , KMnO 4 ) انجام می شود. به دلیل تشکیل تعداد زیادی گروه بازی و اسیدی بر روی سطح زغال سنگ اکسید شده، جذب و سایر خواص آن می تواند به طور قابل توجهی با زغال سنگ اکسید نشده متفاوت باشد. زغال‌سنگ اصلاح‌شده با نیتروژن یا از مواد طبیعی حاوی نیتروژن، یا از پلیمرها یا از طریق تصفیه زغال سنگ با معرف‌های حاوی نیتروژن تولید می‌شود . زغال سنگ همچنین قادر به تعامل با کلر، برم [26] و فلوئور [27] است . زغال سنگ حاوی گوگرد از اهمیت بالایی برخوردار است که به روش های مختلف سنتز می شود اخیراً خواص شیمیایی زغال سنگ معمولاً با وجود یک پیوند دوگانه فعال در سطح آن توضیح داده شده است. کربن اصلاح شده شیمیایی به عنوان کاتالیزور، حامل کاتالیزورها، جاذب های انتخابی، در تولید مواد بسیار خالص و به عنوان الکترود برای باتری های لیتیومی استفاده می شود.\

داستان کربن فعال 

در ابتدا، روش فعال‌سازی کربن توسط نیکولای دیمیتریویچ زلینسکی در سال 1915 برای استفاده در ماسک‌های گاز به عنوان وسیله‌ای جهانی برای حفاظت شیمیایی توسعه یافت.

مکانیسم های عمل

دو مکانیسم اصلی وجود دارد که توسط آن کربن فعال آلاینده ها را از آب حذف می کند: جذب و اکسیداسیون کاتالیزوری . پدیده جذب گاز توسط زغال سنگ تقریباً به طور همزمان در دهه 80 قرن 18 توسط شیمیدان سوئدی کارل ویلهلم شیله و دانشمند ایتالیایی فلیس فونتانا توصیف شد . در روسیه در سال 1785، آکادمیک Toviy Egorovich Lovitz پدیده جذب توسط زغال سنگ در یک محیط مایع را کشف و با جزئیات مطالعه کرد و پیشنهاد استفاده از آن را برای تصفیه مواد آلی داد. [32] ترکیبات آلی با جذب حذف می شوند (این به دلیل تخلخل زیاد است)، و عوامل اکسید کننده، مانند کلر و کلرامین ، با اکسیداسیون کاتالیزوری حذف می شوند.

تولید کربن فعال 

مواد اولیه مورد استفاده در تولید کربن فعال موادی با منشاء آلی هستند: چوب، زغال سنگ، زغال سنگ قیر، پوسته نارگیل و غیره که این مواد اولیه ابتدا زغال شده و سپس در معرض فعال سازی قرار می گیرند.

ماهیت فعال سازی باز شدن منافذی است که در حالت بسته در مواد کربنی قرار دارند. این کار یا به روش ترموشیمیایی (این ماده ابتدا با محلولی از کلرید روی ، کربنات پتاسیم یا برخی ترکیبات دیگر آغشته می‌شود و بدون دسترسی به هوا گرم می‌شود)، یا با عملیات بخار فوق‌گرم یا دی‌اکسید کربن یا مخلوط آن‌ها در دمای 800 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. -850  درجه سانتی گراد در مورد دوم، از نظر فنی به دست آوردن یک عامل بخار-گاز با چنین دمایی دشوار است. یک تکنیک رایج این است که مقدار محدودی از هوا را به دستگاه برای فعال سازی همزمان با بخار اشباع وارد کند. بخشی از زغال سنگ می سوزد و دمای مورد نیاز در فضای واکنش به دست می آید. بازده کربن فعال در این نوع فرآیند به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. سطح منافذ خاص بهترین مارک های کربن فعال می تواند به 1800-2200  متر مربع در هر 1  گرم کربن برسد. [33] ماکرو ، مزو و میکرو وجود دارد . بسته به اندازه مولکول هایی که باید روی سطح زغال سنگ باقی بمانند، زغال سنگ باید با نسبت اندازه منافذ متفاوتی تولید شود.

کاربرد کربن فعال 

پوشیدن ماسک گاز

یک مثال کلاسیک از استفاده از کربن فعال استفاده از آن در تجهیزات حفاظت تنفسی شخصی است . ماسک گاز که توسط N. D. Zelinsky ساخته شد ، جان بسیاری از سربازان را در جنگ جهانی اول پس از استفاده از عوامل جنگ شیمیایی توسط آلمان قیصر نجات داد. تا سال 1916، تقریباً تمام ارتش های اروپایی آن را پذیرفتند.

برای بهبود جذب برخی از مواد، زغال سنگ را می توان با مواد افزودنی اشباع کرد. به عنوان مثال، افزودن اکسیدهای فلزی می تواند ظرفیت جذب برای به دام انداختن مرکاپتان ها را چندین برابر افزایش دهد.

در فدراسیون روسیه در سال 2015، نیاز به کربن فعال (برای ماسک گاز فیلتر روسی RPE) 75٪ از طریق واردات تامین شد

کربن فعال در تولید شکر

کربن فعال برای حذف مواد رنگی از شربت قند در تولید شکر به عنوان جایگزینی برای پودر استخوان استفاده می شود .

کربن فعال برای تولید کود آلی terra preta

Terra Preta  - کمپوست کردن فضولات آلی انسان و حیوان توسط سیلو با استفاده از زغال چوب فعال با دمای پایین. سیلو کمپوست به دست آمده با کمپوست کردن کرم های خاکی یا اعمال سطحی روی خاک و به دنبال آن مالچ پاشی شرطی می شود.

سایر برنامه های کاربردی کربن فعال 

کربن فعال در صنایع دارویی، شیمیایی، دارویی و غذایی کاربرد دارد. فیلترهای حاوی کربن فعال در بسیاری از مدل های مدرن دستگاه های تصفیه آب آشامیدنی استفاده می شود.

ویژگی های کربن فعال

اندازه منافذ کربن فعال 

تأثیر تعیین کننده بر ساختار منافذ کربن های فعال توسط مواد اولیه برای تولید آنها اعمال می شود. کربن‌های فعال مبتنی بر پوسته نارگیل با نسبت بیشتری از ریز منافذ (منافذ با قطر تا 2  نانومتر ) مشخص می‌شوند، در حالی که کربن‌های مبتنی بر زغال سنگ  با نسبت بیشتری از مزوپورها (2 تا 50  نانومتر ) مشخص می‌شوند. بخش بزرگی از درشت منافذ (بیش از 50  نانومتر ) مشخصه کربن‌های فعال مبتنی بر چوب است.

میکروپورها به ویژه برای جذب مولکول‌های کوچک مناسب هستند، در حالی که مزوپورها برای جذب مولکول‌های آلی بزرگ‌تر مناسب هستند.

عدد ید (شاخص ید) کربن فعال 

عدد ید پارامتر اصلی مشخص کننده سطح منافذ و در نتیجه ظرفیت جذب زغال سنگ است. با جرم ید قابل جذب توسط واحد جرم زغال سنگ (mg/g) تعیین می شود. این روش بر اساس جذب یک لایه تک مولکولی ید توسط کربن است. عدد بالاتر نشان دهنده درجه فعال سازی بالاتر است، مقدار معمولی نشانگر 500-1200  میلی گرم در گرم است . مقدار عددی عدد ید تقریباً مربوط به سطح منافذ خاص است که بر حسب m²/g اندازه‌گیری می‌شود.

سختی کربن فعال 

این معیار مقاومت کربن فعال در برابر سایش است. این یک پارامتر مهم کربن فعال برای حفظ یکپارچگی فیزیکی آن و مقاومت در برابر نیروهای اصطکاک، فرآیندهای شستشوی معکوس و غیره است. بسته به ماده خام و سطح فعالیت، تغییرات قابل توجهی در سختی کربن فعال وجود دارد.

درجه بندی کربن فعال 

هرچه اندازه ذرات کربن فعال کوچکتر باشد، دسترسی به سطح بهتر و جذب سریعتر است . در سیستم های فاز بخار، این باید در هنگام کاهش فشار در نظر گرفته شود که بر هزینه های انرژی تأثیر می گذارد. توجه دقیق به توزیع اندازه ذرات می تواند مزایای عملیاتی قابل توجهی داشته باشد.

روش های تولید و احیای کربن اکتیو

روش تولید کربن اکتیو به صورتی است که باید کربن را در شرایط خلا و بدون اکسیژن بسوزانید. این موضوع می تواند در قدرت جذب بالا و متخلخل شدن کربن تاثیر گذار باشد. مواد اولیه به کار رفته برای ساخت این محصول می تواند از زغال سنگ، پوست نارگیل و ... باشد. 
محصول ساخته شده بر پایه گیاهی، عملکرد بهتری برای استفاده در صنایع مختلف دارد. این موضوع باعث می شود تا استفاده از این محصول کاربرد بالایی در صنایع مختلف داشته باشد. برای مثال استفاده از کربن اکتیو بر پایه گیاهی می تواند از ورود آلاینده به آب جلوگیری کند. به همین دلیل توصیه می شود در صنعت تصفیه آب محصول بر پایه گیاهی استفاده کنید.

تولید کربن فعال با مواد شیمیایی

همان طور که از نام این شیوه مشخص است، برای تولید مواد کربنی از مواد اسیدی یا قلیایی از قبیل اسید سولفوریک، کربنات پتاسیم و سدیم استفاده میشود. از مهم ترین ویژگی های مواد کربنی تولید شده به این شیوه می توان به ایجاد مواد کربن فعال با منافذ درشت اشاره نمود که بیشتر برای ممانعت از عبور ذرات معلق در آب و فاضلاب کاربرد دارند. چوب درختان نارگیل و گردو و غیره در صورت مخلوط شدن با اسید سولفوریک و سایر مواد شیمیایی به خمیر تبدیل می گردند و در نهایت در محیطی با دمای 500 تا 800 درجه سانتی گراد حرارت داده خواهند شد.