نویسنده: مرجان محمودی "دانشجوی کارشناسی مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی اصفهان"
"مقدمه"
باتوجهبه روند روبهرشد نیاز جهانی به منابع انرژی پاک و سازگار با محیطزیست، توسعه مواد پایدار و کمهزینه از منابع زیستتوده اهمیت یافته است. کربن فعال، بهعنوان یکی از مواد پرکاربرد در زمینههای مختلف زیستمحیطی و انرژی، به واسطه خواصی چون سطح ویژه بالا، ساختار متخلخل، پایداری شیمیایی مناسب و قابلیت تنظیم عملکرد سطحی، موردتوجه محققان قرار گرفته است. بهرهگیری از منابع زیستتوده برای تولید کربن فعال، نهتنها به کاهش وابستگی به منابع فسیلی و تجدیدناپذیر کمک میکند، بلکه رویکردی مؤثر در مدیریت پسماندهای کشاورزی و صنعتی نیز به شمار میرود.
"فرایند تولید کربن فعال زیستی"
1. انتخاب مواد
ایدهآلترین منابع، موادی با غلظت بالای کربن، هیدروژن و اکسیژن هستند، بهطوریکه میزان کربن آنها بین ۴۰٪ تا ۹۰٪ باشد و مقادیر گوگرد و نیتروژن در آنها پایین باشد تا از تولید گازهای اکسیدی آنها در طی فرایند پیرولیز (Pyrolysis) جلوگیری شود. دامنه وسیعی از مواد خام هستند که از طریق فرایندهای کنترلشده کربونیزاسیون و فعالسازی، به طور مؤثری بهعنوان مواد اولیه کربن فعال مورداستفاده قرار گرفتهاند. از جمله مواد زیستی مورداستفاده میتوان به پوسته برنج، جلبک سبز (ابریشم آبی)، ضایعات بامبو، هسته خرما، زردآلو، زیتون و هلو، پوسته انواع میوهجات مانند نارگیل، هندوانه، پرتقال و...، برگ درخت زیتون، پوسته مغزهای آجیلی مانند فندق، بادامزمینی و گردو اشاره کرد.
2. فرایند آمادهسازی مواد
ابتدا ماده اولیه با استفاده از محلولهای اسیدی یا قلیایی برای حذف ناخالصیها شسته میشود، سپس با آب مقطر شسته و در معرض نور خورشید خشک میگردد. پس از آن، درون کوره حرارتی قرار میگیرد تا رطوبت باقیمانده کاملاً حذف شود. در نهایت، ماده خشک شده بهصورت پودر در ابعاد چند میکرومتر تبدیل میشود تا بیشینه سطح تماس برای فعالسازی فراهم گردد.
3. کربونیزاسیون و فعالسازی
کربونیزاسیون فرایندی است که طی آن پیش مواد غنی از کربن در یک محیط خنثی (نیتروژن یا آرگون) و در دمایی بین 100 تا 1000 درجه سلسیوس، با نرخ گرمایش حدود ۵ تا ۱۰ درجه سلسیوس بر دقیقه، به مادهای کربنی تبدیل میشوند.
"کاربردهای کربن فعال زیستی"
الکترود ابرخازنها
کربن فعال (AC) حاصل از پوست گردو، تحت دماهای مختلف با فعالسازی KOH بهعنوان الکترود ابرخازنها ساخته شدهاند. ویژگیهای ساختاری نشان میدهد که همه نمونههای AC دارای سطح ویژه بالا و تخلخلهای نانومتری هستند. بنابراین پوست گردو، بهعنوان یک منبع ارزان، پایدار و سازگار با محیطزیست، یک پیشساز مناسب و امیدوارکننده برای ساخت کربن فعال برای الکترود ابرخازن است.
حذف فلزات سنگین
کربن فعال به دلیل شیمی سطحی خاص خود، تمایل بالایی برای جذب فلزات سنگین دارد. به دلیل وجود گروههای عاملی مانند هیدروکسیل و کربوکسیل در سطح کربن فعال؛ این مواد تمایل زیادی به جذب یونهای فلزات سنگین دارند.
استفاده از اسیدها یا سایر عوامل اکسیدکننده در مرحله فعالسازی در تولید کربن فعال منجر به اکسیدشدن سطح آن و ایجاد بار منفی بر روی سطح میگردد. این بار منفی سطحی، ظرفیت جذب کربن فعال را از طریق جاذبه الکترواستاتیکی و تعاملات شیمیایی برای یونهای فلزی افزایش میدهد که آن را برای کاربرد در حذف فلزات سنگین از محیطهای آلوده مؤثر میسازد.
جذب گازهای سمی
جذب گازهای مضر برای حفاظت از محیطزیست اهمیت بالایی دارد؛ زیرا بهبود کیفیت هوا و آب، و کاهش اثرات تغییرات اقلیمی میشود. حذف گازهای مضر از فاضلاب صنعتی، از آلودگی آب جلوگیری کرده و از سلامت اکوسیستمها و انسان محافظت میکند. بهعنوانمثال، جذب گازهایی مانند دیاکسیدکربن و متان به کاهش غلظت آنها در جو کمک کرده و با گرمایش جهانی مقابله میکند. آمونیاک نیز بهعنوان یک آلاینده، تأثیرات منفی بر سلامت انسان دارد و میتواند منجر به تشکیل آلایندههای ثانویه خطرناک شود.
ذخیره سازی هیدروژن
گاز هیدروژن (H₂) پتانسیل بالای در تأمین انرژی پاک و پایدار دارد؛ چرا که هنگام استفاده در سلولهای سوختی، بدون انتشار آلاینده عمل میکند. هیدروژن راهحلی برای ذخیرهسازی انرژی تولیدشده از منابع تجدیدپذیر است و در صنایع مختلف از جمله تولید آمونیاک و پالایش نفت کاربرد گستردهای دارد. خودروهای هیدروژنی موجب کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی میشوند. استفاده از هیدروژن عامل کاهش آلایندهها است و همچنین با گسترش منابع انرژی، امنیت انرژی را افزایش میدهد.
حذف آفتکشها
استفاده گسترده از آفتکشها، خطرات قابلتوجهی برای محیطزیست و سلامت انسان به همراه دارد. این مواد شیمیایی به دلیل دخالت در فرایندهای زیستی؛ مانند تنظیم هورمونی و مهار آنزیمی، سمی محسوب میشوند. برای مقابله با این مشکلات، تبدیل زیستتوده و ضایعات کشاورزی به زیست جاذبها یک راهکار عملی برای زیست پالایی و استفاده مجدد به شمار میرود و جایگزینی برای روشهای سنتی مدیریت آلودگی ارائه میدهد. یافتههای علمی نشان میدهد که کربن فعال زیستی، یکی از مؤثرترین زیست جاذبها، برای حذف آفتکشها به شمار میرود.
"چالشها و افقهای پیشرو"
اگرچه کربن فعال اولین جاذب شناخته شده است و به طور گسترده در صنعت مورداستفاده قرار میگیرد، اما توسعه روشهای مناسب برای ساخت آنها و درک ساختار متخلخل آنها همچنان یک چالش ادامه دارد است. امروزه پژوهشگران باهدف افزایش ظرفیت جذب به دنبال شرایط فعالسازی مناسب تر مانند دما، زمان فعالسازی و غلظت عامل فعالکننده هستند. شرایط فعالسازی بالاتر، تولید جاذبهایی با ظرفیت جذب بالا را تسهیل میکند. همچنین، سازگاری با محیطزیست و صرفه اقتصادی کربن فعال زیستتوده را گزینهای ایدهآل برای استفاده در نسل بعدی فناوریهای ذخیرهسازی انرژی تبدیل کرده است.
یکی از پیشرفتهای نویدبخش در این حوزه، ظهور ابرخازن - باتریها است؛ این فناوری ترکیبی، با بهرهگیری از نقاط قوت هر دو سیستم، توانایی شارژ و تخلیه سریع ابرخازنها را با ظرفیت ذخیرهسازی بالای باتریها ترکیب میکند.
"چالشها و نگاهی به آینده کربن فعال زیستی"
با وجود پیشرفتهای چشمگیر در تولید و کاربرد کربن فعال زیستی، همچنان چالشهایی در مسیر توسعه این فناوری وجود دارد که نیازمند توجه و تحقیق بیشتر است. یکی از مهمترین چالشها، بهینهسازی فرایند فعالسازی است؛ بهطوریکه انتخاب دقیق دما، زمان و نوع عامل فعالکننده تأثیر مستقیمی بر ساختار متخلخل و ظرفیت جذب نهایی دارد. درک دقیق از نحوه شکلگیری تخلخلها و تعاملات سطحی در کربن فعال، کلید دستیابی به عملکردهای بالاتر در کاربردهای مختلف خواهد بود.
از سوی دیگر، تنوع در منابع زیستتوده و ویژگیهای شیمیایی آنها، نیازمند توسعه روشهای استاندارد و قابل تنظیم برای تولید کربن فعال با کیفیت یکنواخت است. همچنین، دستیابی به مقیاس صنعتی با حفظ ویژگیهای عملکردی و سازگاری زیستمحیطی، یکی از اهداف مهم در مسیر تجاریسازی این فناوری محسوب میشود.
بطور کلی کربن فعال زیستی میتواند نقش کلیدی در نسل جدید فناوریهای ذخیرهسازی انرژی ایفا کند. ترکیب آن با سیستمهای نوین مانند ابرخازن-باتریها، که توانایی شارژ سریع و ذخیرهسازی بلندمدت را همزمان فراهم میکنند، افقهای تازهای در حوزه انرژیهای تجدیدپذیر میگشاید. همچنین، توسعه کاربردهای پیشرفته در حذف آلایندههای نوظهور، تصفیه آبهای صنعتی و ذخیرهسازی گازهای استراتژیک مانند هیدروژن، جایگاه این ماده را در آیندهای پایدار و هوشمند تثبیت خواهد کرد.
در نهایت، همگرایی میان علوم مواد، مهندسی محیطزیست و فناوری نانو میتواند مسیر نوآوری در تولید کربن فعال زیستی را هموار کرده و آن را به یکی از ارکان اصلی در تحقق اقتصاد سبز و مدیریت پایدار منابع بدل سازد.
