معرفی کربن فعال

کربن فعال (AC) به مواد بسیار کربن دار با قابلیت جذب و تخلخل بالا گفته می شود که از چوب، پوسته نارگیل، زغال سنگ و مخروط و غیره تولید می شود. AC یکی از جاذب های پرکاربرد است که در صنایع مختلف برای حذف آلاینده های متعدد مورد استفاده قرار می گیرد. از اجسام آب و هوا از آنجایی که AC از محصولات کشاورزی و ضایعات سنتز می شود، ثابت شده است که جایگزین بسیار خوبی برای منابع سنتی و غیر قابل تجدید و گران قیمت است. برای تهیه AC از دو فرآیند اصلی کربنیزاسیون و فعال سازی استفاده می شود. در فرآیند اول، پیش سازها در معرض دمای بالا، بین 400 تا 850 درجه سانتیگراد قرار می گیرند تا تمام اجزای فرار را خارج کنند. دمای بالا تمام اجزای غیر کربنی را از پیش ساز مانند هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن به شکل گازها و قطران حذف می کند. این فرآیند زغال سنگی با محتوای کربن بالا اما سطح و تخلخل کم تولید می کند. با این حال، مرحله دوم شامل فعال سازی کاراکتر سنتز شده قبلی است. افزایش اندازه منافذ در طول فرآیند فعال‌سازی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: باز کردن منافذی که قبلاً غیرقابل دسترسی بودند، ایجاد منافذ جدید با فعال‌سازی انتخابی و گشاد کردن منافذ موجود.
معمولاً از دو روش فیزیکی و شیمیایی برای فعال سازی استفاده می شود تا سطح و تخلخل مورد نظر به دست آید. فعال سازی فیزیکی شامل فعال سازی زغال کربن شده با استفاده از گازهای اکسید کننده مانند هوا، دی اکسید کربن و بخار در دماهای بالا (بین 650 تا 900 درجه سانتی گراد) است. دی اکسید کربن معمولاً به دلیل ماهیت خالص، حمل آسان و فرآیند فعال سازی قابل کنترل در حدود 800 درجه سانتیگراد ترجیح داده می شود. یکنواختی منافذ بالایی را می توان با فعال سازی دی اکسید کربن در مقایسه با بخار بدست آورد. با این حال، برای فعال سازی فیزیکی، بخار در مقایسه با دی اکسید کربن بسیار ترجیح داده می شود زیرا AC با سطح نسبتاً بالا می تواند تولید شود. با توجه به اندازه مولکول کوچکتر آب، انتشار آن در ساختار زغال سنگ به طور موثر انجام می شود. مشخص شده است که فعال سازی با بخار حدود دو تا سه برابر بیشتر از دی اکسید کربن با همان درجه تبدیل است.
با این حال، رویکرد شیمیایی شامل مخلوط کردن پیش ساز با عوامل فعال کننده (NaOH، KOH، و FeCl3 و غیره) است. این عوامل فعال کننده به عنوان اکسیدان و همچنین عوامل کم آبی عمل می کنند. در این روش، کربن‌سازی و فعال‌سازی به طور همزمان در دمای نسبتاً پایین‌تر 300-500 درجه سانتی‌گراد در مقایسه با رویکرد فیزیکی انجام می‌شود. در نتیجه، تجزیه پیرولیتیک را تحت تأثیر قرار می دهد و سپس منجر به گسترش ساختار متخلخل بهبود یافته و بازده کربن بالا می شود. مزایای عمده روش شیمیایی نسبت به فیزیکی عبارتند از: نیاز به دمای پایین، ساختارهای با ریز تخلخل بالا، سطح بزرگ و به حداقل رساندن زمان تکمیل واکنش.
برتری روش فعال‌سازی شیمیایی را می‌توان بر اساس مدل پیشنهادی کیم و همکارانش [1] توضیح داد که طبق آن ریز دامنه‌های کروی مختلفی که مسئول تشکیل ریز منافذ در AC هستند یافت می‌شوند. از طرف دیگر، مزوپورها در نواحی بین میکرودمین ایجاد می شوند. به طور تجربی، آنها کربن فعال را از رزین مبتنی بر فنل با فعال سازی شیمیایی (با استفاده از KOH) و فیزیکی (با استفاده از بخار) تشکیل دادند (شکل 1). نتایج نشان داد که AC سنتز شده توسط فعال‌سازی KOH دارای مساحت سطح بالایی 2878 m2/g در مقایسه با 2213 m2/g با فعال‌سازی بخار است. علاوه بر این، فاکتورهای دیگری مانند اندازه منافذ، مساحت سطح، حجم ریز منافذ، و میانگین عرض منافذ همگی در شرایط فعال شده با KOH در مقایسه با بخار فعال بهتر بودند.

تفاوت بین AC تهیه شده از فعال سازی بخار (C6S9) و فعال سازی KOH (C6K9)، به ترتیب، از نظر مدل ریزساختار توضیح داده شده است.

بسته به اندازه ذرات و روش تهیه، می توان آن را به سه نوع تقسیم کرد: AC برقی، AC دانه ای و AC مهره ای. AC تغذیه شده از دانه های ریز با اندازه 1 میلی متر با محدوده قطر متوسط ​​0.15-0.25 میلی متر تشکیل می شود. گرانول AC اندازه نسبتا بزرگتر و سطح خارجی کمتری دارد. AC دانه ای برای کاربردهای مختلف فاز مایع و فاز گاز بسته به نسبت ابعاد آنها استفاده می شود. طبقه سوم: دانه های AC به طور کلی از زمین های نفتی با قطری از 0.35 تا 0.8 میلی متر سنتز می شوند. به دلیل استحکام مکانیکی بالا و محتوای گرد و غبار کم شناخته شده است. به دلیل ساختار کروی آن به طور گسترده در کاربردهای بستر سیال مانند فیلتراسیون آب استفاده می شود.