کربن اکتیو جاکوبی

کربن فعال یا همان زغال فعال (Activated Carbon)، یک جاذب فوق‌العاده قوی و کارآمد است که به طور گسترده در صنایع مختلف، از جمله تصفیه آب و هوا، صنایع دارویی، صنایع غذایی، و صنایع شیمیایی استفاده می‌شود.

زغال فعال از جمع آوری مواد زیستی مانند پوست هسته‌دارها، چوب، پوست میوه‌ها، و غیره، و یا مواد معدنی مانند لیگنیت تولید می‌شود. سپس این مواد تحت فرایندی به نام فعال‌سازی یا فعال‌کردن قرار می‌گیرند که در این فرایند، با اعمال دما و یا احتیاج به اکسیداسیون شیمیایی، سطح داخلی زغال فعال با روزنه‌های بسیار کوچک و پراکنده افزایش می‌یابد. این روزنه‌ها و ساختار داخلی زغال فعال به وسیله جاذبیت فیزیکی و شیمیایی، قدرت جذب بسیار بالایی را برای آلاینده‌ها و مواد آلی و غیرآلی از خود نشان می‌دهد.

با توجه به ساختار داخلی زغال فعال و روزنه‌های آن، این جاذب می‌تواند گازها، مواد آلی و شیمیایی، عناصر سنگین، و حتی بوی نامطبوع را از محیط جذب و حذف نماید. به همین دلیل، کربن فعال به عنوان یک جاذب بسیار موثر در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربردهای مهم و چندمنظوره کربن فعال جاکوبی در صنعت و تصفیه

کربن فعال واکنش‌پذیری بسیار زیادی دارد و به عنوان یک جاذب چندمنظوره در مصارف مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از کاربردهای مهم کربن فعال عبارتند از:

• تصفیه آب: کربن فعال در فرآیند تصفیه آب برای حذف ذرات آلی، مواد شیمیایی، بو و طعم نامطبوع، و رنگ از آب استفاده می‌شود. این فرآیند می‌تواند آب را مناسب برای مصارف خوراکی و آشامیدنی کند.
• رنگ زدایی از قند و شکر: در صنایع غذایی، کربن فعال برای جذب و حذف رنگزایی از مواد مانند قند و شکر استفاده می‌شود تا بهبود رنگ و شفافیت محصولات را ایجاد کند.
• بازیافت طلا: کربن فعال در فرآیند بازیافت طلا از محلول‌های شیمیایی و استخراج معدنی استفاده می‌شود.
• بهسازی رنگ و طعم: در صنایع غذایی و نوشیدنی، کربن فعال برای اصلاح و بهسازی رنگ و طعم محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• استفاده در دستگاه‌های تصفیه هوا: در دستگاه‌های تصفیه هوا، کربن فعال به عنوان یک جاذب بو و ذرات معلق در هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد

کربن فعال به عنوان یک ماده چند منظوره، در این کاربردها و بسیاری دیگر بهبود موثری را به فرآیندها و محصولات ارائه می‌دهد.

تولید کربن اکتیو جاکوبی یا زغال فعال شده

تولید زغال فعال یک فرآیند پیچیده است که بستگی به سه عامل اصلی دارد:

• نوع ماده اولیه:

  نوع و نسبت مواد اولیه مورد استفاده در تولید زغال فعال تأثیر بسزایی در خواص نهایی آن دارد. مواد اولیه معمولاً از منابع طبیعی مانند چوب، پوسته‌های گردو، پوسته‌های بادام، پوسته‌های جوانه‌دار، پوسته‌های نخل، پوسته‌های برنج و یا حتی پوسته‌های کنجد استخراج می‌شود.

• مشخصات فیزیکی:

  مشخصات فیزیکی کربن اکتیو جاکوبی شامل اندازه ذرات، سطح و حجم منافذ، چگالی، و فشار سنتز می‌شود. این مشخصات بستگی به کاربردهای نهایی زغال فعال دارد. برای مثال، در برخی موارد اندازه ذرات زغال فعال باید بسیار ریز باشد تا سطح واکنش با مواد محلول بیشتر شود.

• مشخصات جذبی:

  مشخصات جذبی زغال فعال شده به عنوان یک جاذب چندمنظوره بسیار مهم است. این ویژگی‌ها شامل ظرفیت جذب گازها، رطوبت، مواد آلی، رنگدانه‌ها، بو، و ذرات معلق در هوا می‌شود. هر کدام از این مشخصات برای کاربردهای خاص خود نیازمند است.

با توجه به این سه عامل، فرآیند تولید کربن اکتیو جاکوبی باید با دقت و بر اساس استانداردهای مشخص انجام شود تا زغال فعال مطابق با نیازهای مشتری و کاربردهای مختلف باشد و بهترین عملکرد را ارائه دهد.

شیوه های فعالسازی که بیشتر در تولیدات تجاری بکار میرود عبارتند از:

فعال‌سازی شیمیایی و فعال‌سازی توسط بخار دو روش مهم برای تولید زغال فعال می‌باشند. این دو روش به طور گسترده در صنایع مختلف برای تولید زغال فعال استفاده می‌شوند.

فعال‌سازی شیمیایی کربن اکتیو جاکوبی

در این روش، مواد اولیه مانند چوب یا زغال سنگ نارس، با یک عامل شیمیایی آغشته می‌شوند تا به ماده‌ای خمیری تبدیل شوند. این عوامل ممکن است شامل اسیدها مانند اسید فسفریک یا ترکیبات کلریدی باشند. سپس، ماده خمیری در دمای بالا، معمولاً در بازه ۵۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد، حرارت داده می‌شود تا کربن فعال شود. زغال فعال حاصل از این فرآیند دارای منافذ باز بسیار زیادی است که برای جذب مولکول‌های بزرگ بسیار مناسب می‌باشد.

فعال‌سازی توسط بخار کربن اکتیو جاکوبی

در این روش، مواد اولیه با استفاده از بخار آب و در دماهای بالا فعال‌ می‌شوند. این روش معمولاً برای تولید زغال فعال از موادی مانند پوسته‌های میوه‌ها، پوسته‌های گردو و سایر زندگی گیاهی استفاده می‌شود. بخار آب در این فرآیند به عنوان یک عامل فعال‌سازی عمل می‌کند و باعث تبدیل مواد اولیه به زغال فعال می‌شود. این روش معمولاً در دماهای پایین‌تر از روش فعال‌سازی شیمیایی انجام می‌شود و برای موادی با ساختار و خواص خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر یک از این روش‌ها مزایا و معایب خود را دارند و بستگی به نوع مواد اولیه، خواص نهایی زغال فعال مورد نظر و همچنین استفاده مورد نظر، انتخاب می‌شوند.

ویژگی‌های فیزیکی و جذبی کربن اکتیو جاکوبی

کربن فعال جاکوبی در انواع مختلفی تولید می‌شود که هر کدام از آن‌ها ویژگی‌های فیزیکی و جذبی خاصی دارند. این تفاوت‌ها به نوع مواد اولیه و تکنولوژی به‌کاررفته در تولید بستگی دارد. برای انتخاب صحیح و بهینه‌سازی عملکرد در فرایندهای تصفیه، شناخت دقیق این ویژگی‌ها ضروری است.

۱. سطح ویژه (Surface Area)

یکی از مهم‌ترین معیارهای سنجش کارایی جذب، سطح ویژه کربن فعال است. این سطح معمولاً با استفاده از جذب نیتروژن (N₂) اندازه‌گیری می‌شود. هرچه سطح ویژه بیشتر باشد، تعداد نقاط فعال برای جذب آلاینده‌ها نیز بیشتر خواهد بود.

۲. اندازه منافذ (Pore Size)

کربن اکتیو جاکوبی دارای منافذ در سه دسته‌بندی اصلی طبق استاندارد IUPAC است:

• Micropores: قطر کمتر از 1 نانومتر.

• Mesopores: قطر بین 1 تا 25 نانومتر.

• Macropores: قطر بیشتر از 25 نانومتر.

میکروپورها عمدتاً مسئول جذب مواد هستند، در حالی که مزوپورها مسیر مناسبی برای جابجایی آلاینده‌ها به سمت میکروپورها فراهم می‌کنند. طراحی صحیح توزیع منافذ برای دستیابی به عملکرد جذب بهینه بسیار حیاتی است.

۳. تخلخل (Porosity)

تخلخل کربن فعال نشان‌دهنده میزان فضای خالی در ساختار آن است. افزایش تخلخل به معنای دسترسی بیشتر به منافذ داخلی و افزایش ظرفیت جذب است. یکی از روش‌های سنجش تخلخل، استفاده از میزان جذب گاز CCl₄ در شرایط کنترل‌شده است.

 کربن اکتیو جاکوبی چگونه کار می کند؟

این زغال مواد اورگانیک را از محیط اطرافش جذب می کند , تا عمل انتقال آلاینده از فاز مایع (آب) به فاز جامد (کربن) صورت گیرد. نیروی جاذبه ای باعث تشکیل یک پیوند بین آلاینده و کربن و جدب آنها به هم می شود.
علاوه بر این باکتری هایی به سطح خارجی کربن اکتیو جاکوبی جذب و بخشی از آلاینده ها را  مصرف می کنند.
جذب منجر به پخش یک گاز یا ترکیب در شبکه متخلخلکربن اکتیو جاکوبی می گردد, جایی که یک واکنش شیمیایی یا یک ثبات فیزیکی روی می دهد. به عنوان مثال ازن O₃ در قسمتی که جذب می شود, قسمتی از زغال فعال شده را اکسید میکند, و O₃ به O₂ تبدیل می شود و ازن در ساختار کربن اندوخته و گردآوری نمی شود.

جذب در زغال کربن اکتیو جاکوبی فعال شده دارای 3 مرحله است:

فرآیند جذب آلاینده‌ها در زغال فعال در واقع یک فرآیند چند مرحله‌ای است این مراحل عبارتند از:

تماس ذرات آلاینده با ذرات زغال فعال شده:

در این مرحله، ذرات آلاینده محلول در مایع (مانند آب) با ذرات کربن اکتیو جاکوبی در مخلوط قرار می‌گیرند. این تماس اولیه میان ذرات آلاینده و زغال فعال، ابتدایی‌ترین مرحله در فرآیند جذب است.

پخش ذرات آلاینده در شبکه متخلخل کربن اکتیو جاکوبی:

پس از تماس اولیه، ذرات آلاینده درکربن اکتیو جاکوبی پخش می‌شوند و در داخل شبکه متخلخل زغال فعال پخش می‌گردند. این فرآیند باعث افزایش فرصت برای تعامل بین ذرات آلاینده و زغال فعال می‌شود.

جذب ذرات آلاینده به کربن اکتیو جاکوبی و ایجاد پیوند برگشت‌ناپذیر:

در این مرحله، ذرات آلاینده به ذرات زغال فعال  جذب می‌شوند و یک پیوند برگشت‌ناپذیر بین آنها ایجاد می‌گردد. این پیوند، ذرات آلاینده را به زغال فعال متصل می‌کند و جلوگیری می‌کند که آلاینده‌ها دوباره به محیط آب بازگردند.

این سه مرحله همزمان رخ می‌دهند و تجمعات آلاینده‌ها در زغال فعال  را کاهش می‌دهند، که این امر باعث بهبود کیفیت آب می‌شود.

به مرور زمان و استفاده از کربن اکتیو جاکوبی, سطح آن از مواد آلاینده اشباع می شود. کربن اکتیو جاکوبی یک محصول گران است و در عین حال می تواند در چرخه بازیافت قرار گیرد و مجددا مورد استفاده قرار گیرد. بازیافت زغال فعال, هزینه کمی نسبت به تولید اولیه دارد و دارای قیمت ارزانتری نیز می باشد.