کربن فعال (زغال اکتیو) چیست؟ چه ویژگی‌ها و انواعی دارد و چگونه ساخته می‌شود؟
کربن فعال برای تصفیه مایعات و گاز‌ها در بسیاری از کاربرد‌ها شامل، تصفیه آب شرب شهری، فرآیند تهیه غذا و نوشیدنی، بو زدایی، کنترل آلودگی‌های صنعتی، و فیلتر‌های تصفیه آب برای شیر‌های خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
افزایش سطح آگاهی مردم و نگرانی‌ها در مورد نوشیدن آب آشامیدنی سالم باعث شده است مردم فیلتر‌های کربنی خانگی را روی شیر‌های آب خود نصب کنند تا آب شرب خود را بیشتر تصفیه کنند. بسیاری از این فیلتر‌های تصفیه آب خانگی از کربن فعال استفاده می‌کنند تا ناخالصی‌های حل شده در آب و محصولات جانبی فرآیند گندزدایی که ممکن است طعم بدی به آب بدهند را به طور موثر از آن خارج کنند.
کربن فعال چیست؟
کربن فعال یا همان زغال اکتیو مساحت سطح بسیار وسیعی به نسبت حجمش دارد، و شبکه‌ای از تخلخل‌های میکروسکوپی که فرایند جذب سطحی در آن‌ها رخ می‌دهند را در خود جای داده است. انواع کربن فعال و زغال اکتیو از مواد حاوی کربن ساخته می‌شوند. ماده‌ی اولیه خام استفاده شده برای ساخت کربن فعال می‌تواند هر ماده‌ی با درصد بالایی از کربن باشد. ماده با پایه کربنی از طریق یک فرایند اصلاح فیزیکی و واپاشی حرارتی در کوره تحت اتمسفر و فشار کنترل شده به کربن فعال تبدیل می‌شود. محصول نهایی مساحت سطح بالایی به نسبت واحد حجم خود داشته و حاوی شبکه‌ای از تخلخل‌های میکروسکوپی خواهد بود که فرآیند جذب سطحی در آن‌ها رخ می‌دهد.
کربن فعال چه ویژگی‌هایی دارد؟
محصول نهایی کربن فعال با میزان فعال بودن و خواص فیزیکی اش سنجیده می‌شود. ویژگی‌های مربوط به فعالیت شامل نحوه‌ی پخش تخلخل‌ها با اندازه‌های مختلف هستند که میزان حجم تخلخل در دسترس برای یک کربن را برای سه منطقه با اندازه‌های مختلف تخلخل نشان می‌دهد: مناطق دارای میکروتخلخل، مزوتخلخل، و ماکروتخلخل:
منطقه‌ی میکروتخلخل: کمتر از ۱۰۰ آنگستروم
منطقه‌ی مزو تخلخل: بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ آنگستروم
منطقه‌ی ماکروتخلخل: بیشتر از ۱۰۰۰ آنگستروم
پراکندگی اندازه‌ی تخلخل‌ها ویژگی اصلی کربن فعال است و توانایی آن برای از بین بردن مواد آلوده کننده‌ی (مواد جاذب) آب را نشان می‌دهد. مولوکول‌هایی که در فرم گازی هستند معمولا اندازه‌ی کوچکتری به نسبت مولکول‌های فاز مایع دارند. از این رو، اکثر تخلخل‌های کربن فاز گازی باید در منطقه‌ی میکروتخلخل باشند.
دامنه‌ی وسیعی از اندازه تخلخل‌ها باید در یک کربن فعال موجود باشند تا مواد جاذب بتوانند به راحتی درون تخلخل‌های کربن حرکت کنند و ذرات با اندازه مولکولی خاصی جذب شوند. کربن فاز مایع معمولا شامل بازه‌ی وسیع تری از پراکندگی اندازه‌ی تخلخل است، زیرا این ماده باید ذرات رنگ و مواد ارگانیک بزرگ را از آب جدا کند، در حالی که باید تعداد میکروتخلخل برای جداسازی طعم و بو نیز در آن وجود داشته باشند.
ویژگی‌های فیزیکی شامل مساحت سطح، چگالی محصول، اندازه‌ی مش، مقاومت به جذب و میزان خاکستر هستند.
ویژگی‌های کربن که معمولا اندازه گرفته می‌شوند شامل موارد زیر هستند:
عدد ید
تست استاندارد که برای تخمین مساحت سطح کربن فعال با استفاده از اندازه گیری میزان جذب سطحی ید که در وضعیت استاندارد گرفته می‌شود. این عد میزان I۲ جذب شده را بر حسب میلی گرم به ازای هر گرم کربن نشان می‌دهد.
مساحت سطح
میزان سطح موجود برای جذب به ازای میزان مشخصی از جرم کربن. این مساحت با استفاده از تکنیک‌هایی مانند جذب نیتروژن BET محاسبه می‌شود و با واحد m۲/g گزارش می‌شود.
چگالی محصول
چگالی ظاهری که چگالی کربن در بالاترین بازده تراکم است با واحد‌های g/cc یا Ibs/cf گزارش می‌شود.
اندازه‌ی مش
این ویژگی دامنه‌ی اندازه‌ی ذره محصول گرانوله را نشان می‌دهد که معمولا به صورت یک دامنه از اندازه‌ی حفره‌ی غربال بیان می‌شود، مانند ۱۲x۴۰ که برای کربنی بیان می‌شود که از صفحه‌ی غربال با اندازه مش ۱۲ عبو می‌کند، اما از غربال با اندازه‌ی مش ۴۰ عبور نمی‌کند. این اندازه مش میزان کربنی که روی غربال بزرگتر می‌ماند یا از غربال کوچکتر عبور می‌کند را نیز مد نظر قرار می‌دهد. پایه این کار بر استفاده از عدد سایش اندازه غربال‌های US است، که نشان دهنده‌ی توانایی کربن برای مقاومت دربرابر سایش است. این ویژگی مهم به افراد اجازه می‌دهد تا بدانند میزان تحمل کربن در فرآیند‌هایی که پشت شویی در آن‌ها مورد نیاز است چقدر است. در چنین فرآیند‌هایی کربن زیاد جابه جا می‌شود یا سرعت تصفیه از حد متوسط بالاتر است.
سطح خاکستر
این ویژگی میزان مواد غیر از کربن درون کربن فعال را اندازه می‌گیرد، همه‌ی مواد پایه دارای مقداری محتوای خاکستر هستد. میزان خاکستر در مواد مختلف متفاوت است، به عنوان مثال، کربن پوسته‌ی نارگیل دارای فلزات قلیایی خاکی بیشتری است در حالی که کربن‌های بر اساس زغال دارای فلزات سنگین بیشتری هستند.
چرا انواع متفاوتی از کربن‌های فعال شده وجود دارد؟
دلیل تفاوت کربن‌های فعال در نوع ماده‌ی خام اولیه و روش تولید است. این مواد خام اولیه ویژگی‌های کلی کربن فعال را مشخص می‌کنند و تفاوت‌ها در محصول نهایی بروز پیدا می‌کنند.
بیشتر کربن‌ها به طور خانگی از زغال تهیه می‌شوند. ماده‌ی خام پایه و گام‌های اولیه قبل از فعال کردن کربن می‌توانند بسیاری از خواص فیزیکی و میزان فعال بودن کربن فعال را تحت تاثیر قرار دهند. این ویژگی‌های متفاوت باعث می‌شوند بعضی از کربن‌های فعال برای کاربرد‌های خاص از انواع دیگر مناسب‌تر باشند. برای مشاهدۀ روش ساخت کربن فعال خانگی این مطلب را ببینید.
کربن‌های فعال ساخته شده از زغال قیری دامنه‌ی وسیعی از تخلخل‌ها با اندازه‌های متفاوت دارند. این کربن‌ها شامل هر دو نوع تخلخل با اندازه‌ی کوچک و بزرگ هستند. از این رو برای فرآیند‌هایی مانند کلرزدایی و جداسازی مجموعه‌ی وسیعی از مواد آلوده کننده‌ی آلی، شامل ذرات بزرگتر رنگ، از آب مناسب هستند.
کربن فعال پوست نارگیل
کربن ساخته شده از نارگیل دارای میکروتخلخل‌های بیشتری است و بیشتر برای جداسازی مواد آلی رقیق در آب شرب مناسب است. با مقایسه‌ی تعداد ید روی کربن فعال می‌توان به این ویژگی پی برد. کربن‌هایی که عدد ید بالاتری داشته باشند مساحت سطح بزرگتری دارند؛ بنابراین، ظرفیت بالاتری برای مواد آلی با جذب ضعیف دارند. این در حالی است که کربن‌های با عدد ید کمتر ممکن است تخلخل‌های بزرگتری داشته باشند که برای جداسازی مولکول‌های آلی بزرگ مناسب‌تر است. کاربرد‌هایی وجود دارند که در آن‌ها جداسازی رنگ با استفاده از کربن دوباره فعال شده در مقایسه با کربن با عدد ید بالا بهتر انجام می‌پذیرد.
کربن فعال چطور کار می‌کند؟
کربن فعال با استفاده از جذب فیزیکی مواد آلوده کننده را از جریان‌های مایع یا گازی جدا می‌کند. مساحت سطح بالای کربن به ازای واحد جرم آن باعث می‌شود که مواد آلوده کننده به سطحش بچسبند. در کاربرد‌های تخصصی در انواع دستگاه‌ها و تجهیزات آزمایشگاهی درون فیلتر‌های مصرفی از کربن فعال استفاده می‌شود
مساحت سطح درونی بالای کربن باعث به وجود آمدن چندین نیروی جذاب می‌شود که دیگر مولکول‌ها را به سطح آن جذب می‌کنند. این نیرو به نیروی گرانش شباهت دارد، پس مواد آلوده کننده‌ی آب به دلیل تفاوت در غلظت مواد جاذب درون محلول و حفره‌های کربن به سطح کربن جذب می‌شوند (یا به آن می‌چسبند).
مواد آلوده کننده‌ی آلی جرم مولکولی بالایی دارند و خنثی یا غیر قطبی هستند. این مواد به دلیل طبیعت شیمیایی شان به راحتی به کربن فعال جذب می‌شوند. برای جذب شدن، مواد آلوده کننده‌ی آلی و کربن فعال هر دو باید در آب حل شده باشند تا اندازه‌ی مواد آلوده کننده از تخلخل‌های کربن فعال کوچکتر شده و بتوانند از این تخلخل‌ها عبور کرده و جمع شوند.
علاوه بر جذب فیزیکی، واکنش‌های شیمیایی هم ممکن است روی سطح کربن فعال رخ دهند. یکی از این واکنش‌های شیمیایی می‌تواند حذف کلرین از آب پس از انجام واکنش شیمیایی کلرین با کربن و تولید یون‌های کلراید باشد.
کربن فعال جاکوبی چیست؟
جاکوبی دارای متنوع‌ترین انواع کربن‌های فعال در صنعت است. این شرکت صد‌ها محصول استاندارد در فرم‌های گرانوله، پودری و اکسترود شده دارد که از مواد خام متنوعی شامل پوسته‌ی نارگیل، گرید‌های مختلف زغال و چوب ساخته شده‌اند.
