کربن فعال (AC) به مواد بسیار کربنی با تخلخل و قابلیت جذب بالا اشاره دارد که از چوب، پوسته نارگیل، زغال سنگ و مخروط و غیره تولید می‌شوند. کربن فعال یکی از جاذب‌های پرکاربرد است که در صنایع مختلف برای حذف آلاینده‌های متعدد از آب و هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجایی که کربن فعال از محصولات کشاورزی و ضایعات سنتز می‌شود، جایگزین بسیار خوبی برای منابع تجدیدناپذیر و گران‌قیمت سنتی است. برای تهیه کربن فعال، از دو فرآیند اساسی، کربنیزاسیون و فعال‌سازی، استفاده می‌شود. در فرآیند اول، پیش‌سازها در معرض دمای بالا، بین ۴۰۰ تا ۸۵۰ درجه سانتیگراد، قرار می‌گیرند تا تمام اجزای فرار آنها خارج شود. دمای بالا، تمام اجزای غیرکربنی مانند هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن را به شکل گازها و قطران از پیش‌ساز حذف می‌کند. این فرآیند، زغالی با محتوای کربن بالا اما سطح و تخلخل کم تولید می‌کند. با این حال، مرحله دوم شامل فعال‌سازی زغال سنتز شده قبلی است. افزایش اندازه منافذ در طول فرآیند فعال‌سازی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: باز شدن منافذی که قبلاً غیرقابل دسترس بودند، ایجاد منافذ جدید با فعال‌سازی انتخابی و گشاد شدن منافذ موجود.
معمولاً از دو رویکرد فیزیکی و شیمیایی برای فعال‌سازی جهت دستیابی به مساحت سطح و تخلخل مطلوب استفاده می‌شود. فعال‌سازی فیزیکی شامل فعال‌سازی زغال کربنیزه شده با استفاده از گازهای اکسیدکننده مانند هوا، دی‌اکسید کربن و بخار در دماهای بالا (بین 650 تا 900 درجه سانتیگراد) است. دی‌اکسید کربن معمولاً به دلیل ماهیت خالص، جابجایی آسان و فرآیند فعال‌سازی قابل کنترل در حدود 800 درجه سانتیگراد ترجیح داده می‌شود. با فعال‌سازی دی‌اکسید کربن می‌توان یکنواختی بالای منافذ را در مقایسه با بخار به دست آورد. با این حال، برای فعال‌سازی فیزیکی، بخار در مقایسه با دی‌اکسید کربن بسیار ترجیح داده می‌شود زیرا می‌توان کربن فعال با مساحت سطح نسبتاً بالا تولید کرد. به دلیل اندازه مولکول کوچکتر آب، انتشار آن در ساختار زغال به طور مؤثر انجام می‌شود. مشخص شده است که فعال‌سازی توسط بخار حدود دو تا سه برابر بیشتر از دی‌اکسید کربن با همان درجه تبدیل است.
با این حال، رویکرد شیمیایی شامل مخلوط کردن پیش‌ساز با عوامل فعال‌کننده (NaOH، KOH و FeCl3 و غیره) است. این عوامل فعال‌کننده به عنوان اکسیدان و همچنین عوامل آب‌زدا عمل می‌کنند. در این رویکرد، کربنیزاسیون و فعال‌سازی به طور همزمان در دمای نسبتاً پایین‌تر 300-500 درجه سانتیگراد در مقایسه با رویکرد فیزیکی انجام می‌شود. در نتیجه، این امر بر تجزیه پیرولیتیک تأثیر می‌گذارد و سپس منجر به گسترش ساختار متخلخل بهبود یافته و بازده کربن بالا می‌شود. مزایای اصلی رویکرد شیمیایی نسبت به رویکرد فیزیکی، نیاز به دمای پایین، ساختارهای ریزتخلخل بالا، مساحت سطح بزرگ و زمان تکمیل واکنش به حداقل رسیده است.
برتری روش فعال‌سازی شیمیایی را می‌توان بر اساس مدلی که توسط کیم و همکارانش [1] ارائه شده است، توضیح داد که بر اساس آن، میکرودامین‌های کروی مختلفی که مسئول تشکیل میکروحفره‌ها هستند، در کربن فعال یافت می‌شوند. از سوی دیگر، مزوحفره‌ها در نواحی بین میکرودامین‌ها توسعه می‌یابند. به صورت تجربی، آنها کربن فعال را از رزین مبتنی بر فنل با فعال‌سازی شیمیایی (با استفاده از KOH) و فیزیکی (با استفاده از بخار) تشکیل دادند (شکل 1). نتایج نشان داد که کربن فعال سنتز شده با فعال‌سازی KOH دارای مساحت سطح بالایی معادل 2878 متر مربع بر گرم در مقایسه با 2213 متر مربع بر گرم با فعال‌سازی بخار است. علاوه بر این، عوامل دیگری مانند اندازه منافذ، مساحت سطح، حجم میکروحفره و میانگین عرض منافذ در شرایط فعال‌سازی شده با KOH در مقایسه با فعال‌سازی با بخار، بهتر بودند.
تفاوت‌های بین کربن فعال تهیه‌شده از فعال‌سازی بخار (C6S9) و فعال‌سازی KOH (C6K9)، به ترتیب، بر اساس مدل ریزساختار توضیح داده شده است.
بسته به اندازه ذرات و روش تهیه، می‌توان آن را به سه نوع طبقه‌بندی کرد: جریان متناوب با سوخت (powered AC)، جریان متناوب دانه‌ای (granular AC) و جریان متناوب مهره‌ای (bead AC). جریان متناوب با سوخت (powered AC) از گرانول‌های ریز با اندازه ۱ میلی‌متر و قطر متوسط ۰.۱۵ تا ۰.۲۵ میلی‌متر تشکیل می‌شود. جریان متناوب دانه‌ای اندازه نسبتاً بزرگتر و سطح خارجی کمتری دارد. جریان متناوب دانه‌ای بسته به نسبت ابعادشان برای کاربردهای مختلف فاز مایع و فاز گازی استفاده می‌شوند. دسته سوم: جریان متناوب مهره‌ای عموماً از قیر نفتی با قطری از ۰.۳۵ تا ۰.۸ میلی‌متر سنتز می‌شود. این نوع جریان متناوب به دلیل استحکام مکانیکی بالا و میزان گرد و غبار کم شناخته شده است. به دلیل ساختار کروی خود، به طور گسترده در کاربردهای بستر سیال مانند فیلتراسیون آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
زمان ارسال: ۱۸ ژوئن ۲۰۲۲