کربن فعال

پیش‌گفتار

کربن فعال شکلی از کربن می‌باشد که سطح ویژه بالا، حفرات فراوان و قابلیت رنگ‌زدایی دارد. کربن فعال از بیشترین قابلیت جذب فیزیکی برخوردار است و انواع مختلفی از نظر شکل ظاهری همچون پودری، گرانولی، اکسترودشده، مهره‌ای و آغشته به پلیمر دارد که مطابق با کاربردی که دارند مورد مصرف واقع می‌شوند. در قرن نوزدهم، مردم برای رنگ‌زدایی، طعم‌زدایی و خالص‌سازی از شکر، شراب و آب استفاده می‌کردند. اکنون حدود 100 سال است که برای تصفیه آب از زغال استخوان استفاده می‌شود. در طول جنگ جهانی اول، تولید کربن فعال به‌عنوان ماسک گاز آغاز شد. تا به اکنون، کربن فعال کاربرد گسترده‌ای در تصفیه فاضلاب، بازیابی غلظت حلال آلی، تصفیه هوا، حفاظت از محیط زیست و استخراج طلا یافته است.

ماده کربنی که پس از کربنیزاسیون ماده آلی در دمای 600 تا 700 درجه سانتیگراد باقی می‌ماند این قابلیت را دارد که فعال شود. با این حال، این مواد کربنی می‌توانند برخی از هیدروکربن‌های گازی و دیگر مواد را جذب کنند و ظرفیت فعال‌سازی آن‌ها را در راستای افزایش دمای کربونیزاسیون تا بالای دمای بحرانی برای تشکیل کربن فعال، کاهش دهند. بدین صورت مواد گازی جذب‌شده تجزیه و جدا می‌شوند. سپس برای فعال‌سازی، بخار آب و دی‌اکسید کربن اعمال می‌شود تا ظرفیت فعال‌سازی در کاربردهای صنعتی بهبود یابد.

نام ماده

به کربن فعال، زغال فعال هم گفته می‌شود. گاهی نیز با نام کربن اکتیو از این ماده نام می‌برند.  

فرمول شیمیایی

ساختار کربن فعال برای مدت‌ها مورد بحث بوده است. در کتابی که در سال 2006 چاپ شده، هری مارش و فرانسیسکو رودریگز-رینوسو بیش از 15 مدل برای ساختار در نظر گرفتند، بدون اینکه به یک نتیجه قطعی درمورد ساختار صحیح آن برسند. اخیرا با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری با تصحیح انحراف نشان داده شده که ممکن است کربن‌های فعال، ساختاری مشابه ساختار فولرن‌ها با حلقه‌های کربنی پنج‌ضلعی و هفت‌ضلعی داشته باشند.

توضیحات عمومی

کربن فعال یک کربن آمورف است و اگرچه ساختار کریستالی مانند الماس و گرافیت ندارد، اما از پراش اشعه ایکس مشخص شده که در ساختار آن، کریستالیت یافت می‌شود. عناصر تشکیل‌دهنده کربن فعال، علاوه بر عنصر کربن، شامل ترکیبی از هیدروژن، اکسیژن و غیره هم می‌شود. مهم‌ترین ویژگی کربن فعال، جذب سطحی است. در ساختار این ماده متخلخل، تعداد زیادی حفره با شعاع 20 آنگستروم یا کمتر وجود دارد و شعاع ماکروحفرات آن از 1000 تا 20000 آنگستروم می‌باشد. به‌دلیل اندازه حفرات متفاوت و اکسیدهای سطحی و گروه‌های عاملی مختلف، خاصیت جذب سطحی کربن فعال متفاوت است و توانایی جذب سطحی انتخابی را دارد.

کاربردها و بازارهای هدف

کربن فعال برای حذف آلاینده‌ها از آب، هوا، مایعات و گازهای دیگر کاربرد دارد. با حرارت‌دهی به مواد آلی ازقبیل چوب، پوسته نارگیل یا زغال‌سنگ در غیاب اکسیژن این ماده ساخته می‌شود. این فرایند شبکه‌ای از حفرات ریز ایجاد می‌کند که می‌تواند انواع آلاینده‌ها را به دام انداخته و حذف کند.

معدن

از کربن فعال در معادن برای بازیابی فلزات ارزشمند خصوصا طلا استفاده می‌شود. به‌دلیل طبیعت جاذب آن، این ماده در جداسازی کربن از سیانید در مراحل نهایی استخراج معدن مورد استفاده واقع می‌شود.

غذایی

در صنایع غذایی از کربن فعال برای تقویت خلوص، عطر و طعم مواد غذایی و نوشیدنی‌هایی همچون کنسانتره میوه استفاده می‌شود. همچنین شیرین‌کننده‌ها نیز می‌توانند رنگ‌زدایی شوند و با استفاده از کربن فعال، محصولات جانبی ناخواسته آن‌ها رفع شود. 

تصفیه آب

برای خالص‌سازی آب از کربن فعال هم در مرحله اولیه و هم مرحله سوم تصفیه استفاده می‌شود. در مرحله آغازین، هدف اصلی حذف ذرات بزرگ و حفظ آن‌هاست. در مراحل نهایی تصفیه آب، کربن فعال برای کنترل طعم و مزه آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

گاز و هوا

انواع مختلف کربن فعال می‌توانند برای فیلترکردن گازها به‌کار روند. از محبوب‌ترین کاربردهای تصفیه گاز برای کربن فعال می‌توان به حذف سولفید هیدروژن از گاز طبیعی و فیلتر هوای تنفسی در واحدهای تهویه مطبوع اشاره کرد. در کاربرد دوم، کربن فعال به حذف رادون و بوها از هوای گردش‌یافته کمک می‌کند.

نکات مربوط به ایمنی، حفظ و نگهداری

طول عمر کربن فعال بالاست و چنانچه آن را از رطوبت دور و در دمای مناسب نگه‌داشت می‌توان برای زمانی طولانی از آن نگهداری کرد. به‌طور کلی کربن فعال ماده بی‌خطری است ولی می‌تواند موجب تحریک پوست، چشم و دستگاه تنفسی شود. از این‌رو لازم است که این ماده با پوست و چشم تماس پیدا نکند و از استنشاق ذرات آن پرهیز شود. علاوه بر این، اگر کربن فعال در معرض حرارت واقع شود قابلیت اشتعال‌پذیری دارد و این خاصیت باید در نظر گرفته شود.

جمع‌بندی

کربن فعال یا زغال فعال، اغلب برای فیلترکردن آلاینده‌ها و ناخالصی‌های مختلف از آب و هوا، گنجایش جذب سطحی بالایی دارد و به‌دلیل داشتن حفرات ریز، از مساحت سطح بالایی برخوردار است. این ماده در زمینه‌های بسیاری ازجمله تصفیه آب و گاز، صنعت معدن، غذا و دارو در اشکال مختلف می‌تواند کاربرد داشته باشد.

پرسش‌های متداول