در این مجله پیامر آب قصد داریم در مورد نحوه ی ساخت کربن اکتیو، نحوه استفاده از آن،کاربرد کربن فعال،مزایا و معایب آن و …. توضیح دهیم.
کربن فعال چیست؟
کربن فعال که زغال فعال نیز نامیده می شود ، شکلی از کربن است که معمولاً برای از بین رفتن آلاینده ها استفاده می شود. این رسانه ابتدا با سوزاندن یک ماده کربنی بدون اکسیژن ایجاد می شود. در مرحله بعد، ذغال سنگ به صورت شیمیایی یا فیزیکی درمان می شود تا مجموعه ای از سوراخ ها یا منافذ به هم پیوسته در داخل کربن ایجاد شود. منافذ داخلی این شبکه باعث ایجاد سطح بزرگی می شود که می تواند مواد شیمیایی آلی را جذب و نگهداری کند.برای داشتن منافذ کوچک و کم حجم که سطح موجود برای جذب یا واکنش‌های شیمیایی را افزایش می‌دهد، فعال می شود که می‌توان آن را به عنوان یک ساختار “اسفنجی” میکروسکوپی در نظر گرفت ( جذب ، فرآیندی است که در آن اتم ها یا مولکول ها به یک سطح می چسبند.) فعال سازی مشابه تهیه ذرت بو داده از دانه های ذرت خشک است: پاپ کورن سبک، کرکی است و دانه های آن نسبت به سطح آن حجم بالایی دارند .
نحوه ی ساخت کربن اکتیو:
برای ساخت کربن اکتیو می‌توان از مواد اولیه متفاوتی استفاده کرد که البته این موضوع در عملکرد آن تاثیر گذار است. انتخاب نوع مواد اولیه برای ساخت کربن فعال به نوع کاربرد آن تا حد زیادی بستگی دارد.
برای مثال در صورتی که تمایل به استفاده از کربن اکتیو در صنعت تصفیه آب دارید، بهتر است مواد اولیه بر پایه گیاهی باشد. این موضوع در فیلتراسیون دقیق‌تر آب و جلوگیری از ورود آلاینده به آب اهمیت زیادی دارد.
از مهم‌ترین مواد اولیه‌ای که برای ساخت کربن فعال به کار می‌روند مواردی مثل زغال سنگ، کک نفتی، قیر، قطران زغال سنگ، ضایعات گیاهی، ضایعات کشاورزی (پوست میوه و هسته میوه‌هایی مثل زیتون) و پوست نارگیل هستند.
مراحل ساخت :
- ماده اولیه‌ای که برای ساخت زغال اکتیو مورد نیاز است را تهیه کنید. برای ساخت زغال اکتیو می‌توان از چوب یا پوست نارگیل استفاده کرد.
- قبل از سوزاندن ماده از خشک بودن آن اطمینان پیدا کنید.
- در ادامه ماده سوزانده شده را در قابلمه‌ای ریخته و روی آن را بپوشانید. برای تهویه می‌توان چند سوراخ ریز ایجاد کرد. با این حال باید به محدود کردن جریان اکسیژن توجه داشته باشید.
- قابلمه را در معرض حرارت قرار دهید. میزان حرارت در این مرحله باید به اندازه‌ای باشد که مواد درون آن بسوزد.
- چند ساعت صبر کنید. در صورت خارج شدن دود از قابلمه اصلا نگران نباشید، این موضوع در روند ساخت زغال اکتیو معمول است.
- بعد از این، صبر کنید تا زغال سرد شود. کربن را شستشو دهید تا ناخالصی‌هایی مثل خاکستر حذف شوند.
- زغال ساخته شده را پودر کنید، به این دلیل که کربن اکتیو پودری بهترین عملکرد را برای استفاده در موارد مختلف دارد.
- در ادامه باید کربن را به حالت فعال تبدیل کنید. به این منظور می‌توان از کلرید کلسیم استفاده کرد.
- کلرید کلسیم را با 75% آب ترکیب کنید. در واقع نسبت آب و کلسیم کلرید باید به اندازه 1:3 باشد.
- در ادامه باید از مخلوط ایجاد شده روی زغال بریزید تا پوشانده شود.
- اجازه دهید تا زغال به مدت 24 ساعت باقی بماند.
- مایع را از کربن خالی کرده و شستشو دهید تا مواد شیمیایی حذف شود.
- سعی کنید آب به صورت کامل خارج شود.
- زغال را مجددا در قابلمه و روی حرارت قرار دهید. اجازه دهید 3 ساعت در این حالت بماند.
- حرارت برای ساخت زغال اکتیو باید به صورتی باشد که آب بجوشد و در نهایت زغال به کربن اکتیو تبدیل شو
نحوه ی استفاده از کربن اکتیو:
- دستگاه تصفیه هوا DIY: شما می توانید با استفاده از کربن فعال تصفیه کننده هوای خود را با قرار دادن کربن در ظرف و استفاده از یک فن برای کشیدن هوا از داخل آن بسازید. برای ساخت دستگاه تصفیه هوا، به ظرفی با درب، فن کوچک و مقداری کربن فعال نیاز دارید. کربن اکتیو را در ظرف قرار دهید و درب آن را سوراخ کنید تا روی فن قرار بگیرد. فن را به درب وصل کنید و آن را روشن کنید تا هوا از طریق کربن فعال کشیده شود که باعث جذب ناخالصی ها و بهبود کیفیت هوای خانه شما می شود.
- فیلتراسیون آب: از کربن فعال می توان برای فیلتر کردن آب و حذف ناخالصی هایی مانند کلر، رسوبات و ترکیبات آلی فرار (VOCs) استفاده کرد. می توانید فیلترهای کربن فعال را برای شیر آب خود بخرید یا یک سیستم فیلتراسیون کربن فعال کل خانه نصب کنید. از طرف دیگر، می توانید با قرار دادن کربن فعال در یک پارچ یا ظرف دیگر و ریختن آب از طریق آن، سیستم تصفیه آب خود را ایجاد کنید.
- خوشبو کننده یخچال: کربن فعال می تواند به عنوان یک خوشبوکننده طبیعی در یخچال شما استفاده شود تا به از بین بردن بو و تازه نگه داشتن مواد غذایی شما کمک کند. به سادگی مقدار کمی کربن فعال را در یک کاسه یا شیشه بریزید و آن را در پشت یخچال قرار دهید. کربن فعال بوها را جذب می کند و به بوی تازه و تمیزی یخچال شما کمک می کند. کربن فعال را هر چند ماه یکبار تعویض کنید تا حداکثر اثربخشی را تضمین کنید.
کاربردهای کربن فعال:
کربن فعال در ذخیره سازی متان و هیدروژن ، تصفیه هوا ، دییونیزاسیون خازنی، جذب نوسانی فوق خازنی، بازیافت حلال، کافئین زدایی ، تصفیه طلا ، استخراج فلز ، تصفیه آب ، دارو ، تصفیه فاضلاب ، فیلترهای هوا استفاده می شود. در ماسک‌های تنفسی ، فیلترها در هوای فشرده، سفید کردن دندان‌ها، تولید هیدروژن کلرید ، لوازم الکترونیکی خوراکی، و نیز بسیاری کاربردهای دیگر استفاده می شود:
- صنعتی:
یکی از کاربردهای کربن در فعالیت های صنعتی است که در تکمیل فلز برای خالص سازی محلول های آبکاری استفاده می شود. به عنوان مثال، این روش اصلی تصفیه برای حذف ناخالصی های آلی از محلول های آبکاری نیکل درخشان است. انواع مواد شیمیایی آلی به محلول های آبکاری برای بهبود کیفیت رسوب آنها و برای افزایش خواصی مانند روشنایی، صافی، شکل پذیری و غیره اضافه می شود. به دلیل عبور جریان مستقیم و واکنش های الکترولیتی اکسیداسیون آندی و احیای کاتدی، افزودنی های آلی محصولات شکست ناخواسته تولید می کنند. در محلول تجمع بیش از حد آنها می تواند بر کیفیت آبکاری و خواص فیزیکی فلز رسوبی تأثیر منفی بگذارد. تصفیه کربن فعال چنین ناخالصی ها را حذف می کند و عملکرد آبکاری را به سطح مورد نظر باز می گرداند. - شیمی تجزیه:
کربن فعال، در ترکیب 50 درصد وزنی به عنوان فاز ثابت در جداسازی کروماتوگرافی کم فشار کربوهیدرات ها (مونو، دی، تری ساکاریدها ) با استفاده از محلول های اتانول (5-50 درصد) به عنوان فاز متحرک در پروتکل های تحلیلی یا آماده سازیکربن فعال برای استخراج داروهای ضد انعقاد مستقیم خوراکی (DOACs) مانند دابیگاتران ، آپیکسابان ، ریواروکسابان و ادوکسابان از نمونه های پلاسمای خون مفید است. برای این منظور به “قرص های کوچک” ساخته شده است که هر کدام حاوی 5 میلی گرم کربن فعال برای درمان نمونه های 1 میلی لیتری DOAC است. از آنجایی که این کربن فعال هیچ تاثیری بر فاکتورهای انعقاد خون، هپارین یا اکثر داروهای ضد انعقاد دیگر ندارد ، این اجازه می دهد تا نمونه پلاسما از نظر ناهنجاری هایی که در غیر این صورت تحت تأثیر DOAC ها قرار می گیرند، تجزیه و تحلیل شود. - محیط زیست:جذب کربن کاربردهای متعددی در حذف آلاینده‌ها از هوا یا جریان‌های آب هم در مزرعه و هم در فرآیندهای صنعتی دارد، مانند:
- پاکسازی نشت
- اصلاح آب های زیرزمینی
- تصفیه آب آشامیدنی
- تصفیه فاضلاب
- تصفیه هوا
ترکیبات آلی فرار از رنگ آمیزی ، تمیز کردن خشک ، عملیات توزیع بنزین و سایر فرآیندها جذب می شوند.
- کشاورزی:
کربن فعال (زغال چوب) یک ماده مجاز است که توسط کشاورزان ارگانیک هم در تولید دام و هم در شراب سازی استفاده می شود. در تولیدات دامی به عنوان آفت کش، افزودنی خوراک دام، کمک فرآوری، مواد غیر کشاورزی و ضدعفونی کننده استفاده می شود.در شراب سازی ارگانیک، کربن فعال برای استفاده به عنوان یک عامل پردازش برای جذب رنگدانه های قهوه ای از کنسانتره انگور سفید مجاز است.گاهی اوقات به عنوان بیوچار استفاده می شود . - ذخیره سازی سوخت:
تحقیقاتی برای آزمایش توانایی کربن‌های فعال مختلف برای ذخیره‌سازی گاز طبیعی و گاز هیدروژن در حال انجام است . برخی از مواد مانند یک اسفنج برای انواع مختلف گازها عمل می کند. گاز از طریق نیروهای واندروالس به مواد کربن جذب می شود . برخی از کربن ها توانسته اند به انرژی های اتصال 5 تا 10 کیلوژول در هر مول دست یابند . وقتی که گاز در معرض دماهای بالاتری قرار گیرد و یا برای انجام کار احتراق شود و یا در مورد گاز هیدروژن استخراج شده برای استفاده در یک پیل سوختی هیدروژن، دفع شود . ذخیره‌سازی گاز در کربن‌های فعال یک روش ذخیره‌سازی گاز جذاب است زیرا گاز را می‌توان در محیطی با فشار کم، جرم و حجم کم ذخیره کرد که بسیار امکان‌پذیرتر از مخازن فشار سنگین در خودروها است. وزارت انرژی ایالات متحده اهداف خاصی [25] را در زمینه تحقیق و توسعه مواد کربنی متخلخل مشخص کرده است. همه اهداف هنوز برآورده نشده اند، اما مؤسسات متعددی، از جمله برنامه ALL-CRAFT، [1] [2] به انجام کار در این زمینه ادامه می دهند - تصفیه گاز:
فیلترهای دارای کربن فعال معمولاً در تصفیه هوا و گاز فشرده برای حذف بخارات روغن ، بو و سایر هیدروکربن ها از هوا استفاده می شوند. رایج ترین طرح ها از اصل فیلتراسیون یک یا چند مرحله ای استفاده می کنند که در آن کربن فعال در داخل محیط فیلتر تهیه شده است.فیلترهای کربن فعال برای حفظ گازهای رادیواکتیو در هوای خلاء شده از کندانسور توربین راکتور آب جوش هسته ای استفاده می شود. بسترهای زغال چوب بزرگ این گازها را جذب می کنند و در حالی که به سرعت به گونه های جامد غیر رادیواکتیو تجزیه می شوند، آنها را حفظ می کنند. مواد جامد در ذرات زغال سنگ اسیر می شوند، در حالی که هوای فیلتر شده از آن عبور می کند. - تصفیه شیمیایی:
کربن فعال معمولاً در مقیاس آزمایشگاهی برای خالص سازی مولکول های آلی استفاده می شود.فیلتراسیون روی کربن فعال در فرآیندهای شیمیایی و دارویی در مقیاس بزرگ برای همین منظور استفاده می شود. کربن یا با محلول مخلوط می شود و سپس فیلتر می شود یا در یک فیلتر بی حرکت می شود. - افزودنی غذایی:
زغال چوب فعال و درجه غذایی در سال 2016 به یک روند غذایی تبدیل شد و به عنوان یک افزودنی برای ایجاد طعم “کمی دودی” و رنگ تیره به محصولاتی از جمله هات داگ، بستنی، پایه پیتزا و شیرینی استفاده می شود. به افرادی که از داروها، از جمله قرص‌های ضدبارداری و داروهای ضد افسردگی استفاده می‌کنند ، توصیه می‌شود از غذاهای جدید یا نوشیدنی‌هایی که از رنگ زغال فعال استفاده می‌کننددوری کنند، زیرا می‌تواند دارو را بی‌اثر کند. - مصارف پزشکی:
کربن فعال برای درمان مسمومیت ها و مصرف بیش از حد دارو به عنوان مصرف خوراکی استفاده می شود . قرص ها یا کپسول های کربن فعال در بسیاری از کشورها به عنوان یک داروی بدون نسخه برای درمان اسهال ، سوء هاضمه و نفخ استفاده می شود . با این حال، زغال فعال هیچ تاثیری بر گاز روده و اسهال نشان نمی دهد، معمولاً از نظر پزشکی بی اثر است اگر مسمومیت ناشی از مصرف مواد خورنده، اسید بوریک یا فرآورده های نفتی باشد، و به ویژه در برابر مسمومیت با اسیدها یا بازهای قوی ، سیانید ، آهن ، لیت ، بی اثر است. آرسنیک ، متانول ، اتانول یا اتیلن گلیکول .کربن فعال مانع از جذب این مواد شیمیایی در بدن انسان نمی شود.در فهرست داروهای ضروری سازمان بهداشت جهانی قرار دارد . استفاده نادرست (مثلاً در ریه ها ) منجر به آسپیراسیون ریوی می شود که در صورت عدم شروع فوری درمان پزشکی، گاهی اوقات می تواند کشنده باشد.
مزایای استفاده از کربن فعال :
زغال فعال به عنوان یک ماده اصلی در ساخت فیلتر کربن اکتیو برای یکی از مراحل سیستم فیلتراسیون دستگاه تصفیه آب صنعتی، خانگی و تصفیه هوا شناخته می‌شود. از این نوع فیلتر به منظور حذف بو، مزه و رنگ نامطلوب از آب یا هوای ورودی به سیستم تصفیه استفاده می‌شود. از جمله مزایای استفاده از این فیلتر در دستگاه تصفیه هوا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• حذف گازهای مضر و سرطان‌زا از هوا
• جذب بخارهای شیمیایی موجود در هوا
• از بین بردن مواد مضر مثل عوامل ویروسی، باکتری و کپک
• حذف ترکیبات آلی فرار (VOC) موجود در رنگ‌ها که در واقع عامل اصلی بوی رنگ در هوا است.
• کاهش بوی نامطبوع زباله، مواد شیمیایی، حیوانات خانگی در فضای بسته مثل خانه
• بالا بردن کیفیت هوای مناسب برای افراد با ریه‌های حساس
معایب استفاده از کربن فعال :
این فیلتر با وجود تمام مزایایی که در سیستم فیلتراسیون دارد، می‌تواند معایبی نیز داشته باشد.ازجمله معایب آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• عمر مفید کوتاه در سیستم تصفیه آب
• عدم توانایی حذف مواد شیمیایی غیرکربنی مثل فلزهای سنگین، فلوراید، نیترات و سدیم
• مقدار کربن فعال و مدت زمانی که آب با این ماده در تماس است، تاثیر زیادی بر روی کیفیت فیلتراسیون دارد. اگر این شرایط به خوبی فراهم نشود، بازده فیلتراسیون پایین می‌آید.
• کارایی کم برای حذف باکتری، ویروس و عوامل بیماری‌زا در آب
بررسی برخی از ویژگی های کربن اکتیو در زمان خرید:
| ساختار منافذ | ساختار منافذ کربن فعال متفاوت است و تا حد زیادی نتیجه ماده منبع و روش تولید است. ساختار منافذ، در ترکیب با نیروهای جذاب، چیزی است که به جذب اجازه می دهد. |
| سختی / سایش | سختی نیز یک عامل کلیدی در انتخاب است. بسیاری از کاربردها به کربن فعال نیاز دارند که دارای استحکام ذرات بالا و مقاومت در برابر ساییدگی (تجزیه مواد به ریز) باشد. کربن فعال تولید شده از پوسته نارگیل بالاترین سختی را نسبت به کربن فعال دارد. |
| خواص جذبی | خواص جذبی کربن فعال شامل چندین ویژگی از جمله ظرفیت جذب، سرعت جذب و اثربخشی کلی کربن فعال است. بسته به کاربرد (مایع یا گاز)، این خواص ممکن است با تعدادی از عوامل، از جمله تعداد ید، مساحت سطح و فعالیت تتراکلرید کربن (CTC) نشان داده شوند. |
| چگالی ظاهری | در حالی که چگالی ظاهری بر جذب در واحد وزن تأثیر نمی گذارد، ولی در واحد حجم تأثیر می گذارد. |
| مرطوب | در حالت ایده آل، مقدار رطوبت فیزیکی موجود در کربن فعال باید بین 3-6٪ باشد. |
| محتوای خاکستر | محتوای خاکستر کربن فعال معیاری از بخش بی اثر، بی شکل، غیر آلی و غیرقابل استفاده مواد است. محتوای خاکستر در حالت ایده آل تا حد امکان پایین خواهد بود، زیرا با کاهش محتوای خاکستر، کیفیت کربن فعال افزایش می یابد. |
| مقدار pH | مقدار pH اغلب برای پیش بینی تغییرات، زمانی که کربن فعال به مایع اضافه می شود اندازه گیری می شود. |
| اندازه ذرات | اندازه ذرات تأثیر مستقیمی بر سینتیک جذب، ویژگی‌های جریان، و فیلترپذیری کربن فعال دارد.¹ |
نتیجه:
کربن اکتیو یک ماده فوق‌العاده متنوع است که از طریق قابلیت‌های جاذب برتر خود، هزاران کاربرد را به خود اختصاص می‌دهد.
