کربن فعال یا کربن اکتیو، دارای منافذ کوچک و کم حجم، اما در عین حال قدرت جذب بسیار بالا می باشد. سطح تماس کربن اکتیو به دلیل همین منافذ کم حجم و کوچک افزایش پیدا می کند، به این ترتیب کربن فعال می تواند در فرایندهای جذب یا واکنش های شیمیایی بهترین عملکرد را داشته باشد.
تعداد حفره های بالای کربن اکتیو، سطح تماس بالایی حتی بیش از 3000 متر مربع را ایجاد می کند. مکانیزم جذب آلاینده های در کربن اکتیو بر مبنای جذب سطحی است.
این ماده متخلخل مزیت در دسترس و ارزان بودن را دارد. به دلیل همه این مزیت ها، کربن فعال به ماده ای تبدیل شده است، که در بسیاری از کاربردهای تصفیه آب برای حذف کلر، برخی از فلزات سنگین، بو، رنگ و طعم مورد استفاده قرار می گیرد. کربن اکتیو، موادی را که به آن می چسبند باردار می کند، به این ترتیب دیگر مواد آلاینده نام برده شده نیز به آنها می چسبند و از آب حذف می شوند.
کربن اکتیو از مواد اولیه مختلفی ساخته می شود، که شامل چوب، مواد زغالی و پوسته نارگیل می باشد. کربن فعال انواع مختلفی دارد، که معمول ترین آنها شامل کربن فعال پودری (Powder)، دانه ای (Granular)، قرصی (Pellet) و بلاک (Block) می باشد.
کربن فعال پودری سرعت و قابلیت جذب بالایی نسبت به کربن با ابعاد بالاتر دارد. از این نوع کربن اکتیو برای از بین بردن آلودگی هایی شامل جلبک ها یا نشت مواد صنعتی کارخانه ها به آب استفاده می شود. کربن فعال دانه ای یا گرانول با ابعاد میلی متری در تصفیه خانه ها بیش ترین مورد استفاده را دارد. کربن فعال گرانول پس از مدتی استفاده با ذرات آلاینده موجود در آب اشباع می شود. در این مرحله باید کربن فعال احیا شود تا دوباره بتوان از آن استفاده کرد، در غیر این صورت بستر کربن تعویض می شود
احیای کربن با روش حرارتی تنها برای مقادیر بالا مقرون به صرفه است. برای مقادیر کم کربن معمولا بستر را تعویض می کنند. کربن فعال قرصی، نوعی کربن اکتیو دانه درشت است، که اغلب برای حذف بو و سولفید هیدروژن از بخارها و گازها در تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرد. کربن بلاک نیز به صوت یک تکه می باشد و به همین دلیل هم قابلیت و قدرت بیش تری برای حذف آلاینده های آب دارد.
قیمت کربن فعال به پارامترهای تعیین سطح کیفی نام برده شده در بخش قبل و برند محصول بستگی دارد. قیمت کربن اکتیو وارداتی نیز به نرخ ارز در کشور وابسته می باشد. بنابر این در صورت نیاز به استعلام قیمت کربن فعال برای برندهای مرغوبی شامل کربن اکتیو جاکوبی
خرید کربن فعال باید با توجه به نیاز سیستم و نوع کاربرد صورت گیرد. انواع کربن فعال از نظر شکل ظاهری و مش هر کدام برای کاربرد مشخصی مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال کربن اکتیو جاکوبی 1000 و 2000 برای تصفیه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرد. این در حالی است، که انواع کربن جاکوبی برای استخراج طلا و هم چنین در صنایع نفت و پتروشیمی نیز تولید شده اند.
کربن فعال یا زغال اکتیو، یکی از مهمترین موادی است که به طور گسترده در تصفیه آب آشامیدنی و صنعتی در کارخانه جات و تصفیه خانه ها استفاده می شود. کربن اکتیو به طور کلی براساس ویژگی های سطحی، رفتار فیزیکی و شیمیایی و روش تولید می توان به انواع کربن فعال قرصی (pellet)، کربن اکتیو پودری، گرانول و میله ای طبقه بندی می گردد. توجه به این نکته ضروری است که در انتخاب کربن فعال مناسب توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی ماده آلاینده اهمیت بسزایی دارد. امروزه متداول ترین انواع کربن اکتیو نوع پودری، گرانول و میله ای (کبریتی) هستند که در ادامه به بررسی آنها می پردازیم.
کربن اکتیو پودری (PAC) دارای سایز 1 میلی متر و قطر متوسط 0.15 تا 0.25 میلی متر است. ویژگی بارز این نوع کربن فعال نسبت سطح به حجم بسیار بالای آن می باشد. اما این نوع کربن به دلیل اندازه ریز ذرات در هنگام استفاده افت فشار بالایی ایجاد خواهد کرد.
یکی از پارامترهای مهمی که معمولاً برای تعیین ویژگی های فیزیکی کربن بکار می رود، اصطلاح "مش" می باشد که به معنی توزیع اندازه ذرات کربن اکتیو است. بر این اساس، کربن فعال پودری در واقع به صورت ذرات کربن اکتیو باقی مانده بر روی غربال مش 50 یعنی ذراتی با قطر 0.297 میلیمتر معرفی می شود. این تعریف به این معنی است که 95 تا 100 درصد از ذرات کربن پودری ریزتر بوده و از غربال ذکر شده عبور می کنند. بر طبق استاندارد ASTM، ذراتی که از غربال مش 80 (ذراتی با قطر 0.177 میلیمتر) عبور می کنند نیز در این دسته قرار می گیرند.
کربن فعال دانه ای یا گرانولی (GAC) نسبت به کربن پودری دارای ذرات نسبتاً بزرگتر و درنتیجه سطح خارجی کوچکتری می باشد. قطر متوسط ذرات کربن فعال گرانولی معمولاً بین 0.2 تا 5 میلیمتر است. این نوع کربن به دلیل سرعت نفوذ بالا، به منظور جذب گازها و بخارها مناسب تر می باشد. از کربن اکتیو گرانولی عمدتاً جهت تصفیه آب، بو زدایی و جداسازی مواد موجود در جریان ها و به ویژه در حوضچه های اختلاط سریع استفاده می شود. کربن فعال سایزهای 20*8، 40*20، 30*8 معمولاً در فاز مایع و سایز 6*4، 8*4، 10*4 در فاز بخار بکار می رود. کربن اکتیو گرانول سایز 40*20 دارای ذراتی در محدوده مش 20 تا 40 می باشد که از مش شماره 20 (ذراتی با قطر 0.84 میلیمتر) عبور کرده اما بر روی غربال استاندارد آمریکایی (ASTM) شماره 40 باقی می ماند.
کربن فعال میله ای یا مدادی معمولاً دارای قطری بین 0.8 تا 5 میلیمتر و به شکل استوانه ای هستند. برای تهیه این نوع کربن اکتیو، ذرات کربن پودری را با یک پیوند دهنده به یکدیگر متصل کرده و در یک بسته استوانه ای قرار می دهند. کربن فعال میله ای دارای ویژگی هایی از قبیل افت فشار پایین، قدرت مکانیکی بالا و مقدار غبار پایین است و از آن معمولاً جهت جذب در فاز گازی استفاده می گردد. کربن فعال میله ای با نام کربن اکسترود نیز شناخته می شود.
2. آب پاکاسازان
3.اطلس آب
4.به آبی
5. آبنوس پالایش
6.ناب زیست
8.بهاب
10.آریا صاف
مهمترین موادی که توسط کربن فعال (و فیلتر کربن اکتیو) در فرایند تصفیه آب حذف می شوند شامل موارد زیر هستند:
1- حذف کلر آزاد:
از آنجایی که کربن فعال تمایل بالایی در جذب کلر آزاد دارد، بنابراین یکی از مهمترین کاربردهای آن جهت حذف کلر محسوب می شود. در این روش کلر موجود در آب تا حدی موجب آسیب یا تخریب ذرات کربن اکتیو می گردد.
به این منظور زمان تماس مناسب بین آب با بستر کربن را معمولاً بین 7 تا 15 دقیقه در نظر می گیرند. فرایند کلر زدایی توسط کربن فعال به سرعت اتفاق می افتد و معمولاً سرعت جریان بالایی دارد. اما این فرایند به سطح بسیار بالایی نیاز دارد و پس از مدتی استفاده، منافذ کربن توسط ارگانیسم ها پر شده و مسدود می گردد.
2- حذف یون کلر (کلرید):
نمک های محلول در آب اصولاً به شکل کاتیونی یا آنیونی هستند. عمده ترین کاتیون های موجود در آب، یون کلسیم، منیزیم و منگنز و آنیون های مهم آب نیز، یون های بی کربنات، کربنات و هیدروکسید می باشند.
طعم شوری آب معمولاً ناشی از وجود مقادیر بالای یون کلراید در آب است. زیرا یون سدیم با غلظت 250 میلی گرم در لیتر یون کلر معمولاً طعم شوری محسوسی در آب ایجاد می کند. این در حالی است که کاتیون های منیزیم و کلسیم حتی تا غلظت 1000 میلی گرم در لیتر کلرید ممکن است شوری قابل توجهی به آب ندهد. ذرات کربن فعال قادر هستند که 50 تا 70 درصد یون کلر را از آب حذف کرد.
3- حذف ترکیبات آلی نامطلوب مانند COD و BOD از آب:
اصطلاحCOD به مقدار اکسیژن لازم جهت تجزیه شیمیایی مواد آلی گفته می شود. BODنیز میزان اکسیژن محلول مورد نیاز برای میکروارگانسیم های هوازی جهت تجزیه مواد آلی موجود در آب تعریف می گردد. COD و BOD در واقع مهمترین شاخص های سنجش کیفیت آب و فاضلاب محسوب می گردند.
این ترکیبات سبب ایجاد رنگ، طعم و بوی نامطبوع در آب شده و به عنوان منبعی برای رشد میکروارگانیسم ها و جلبک ها به شمار می آید. استفاده از کربن فعال (فیلتر کربنی) در فرایند تصفیه می تواند COD و BOD آب را کاهش داده و به میزان بالایی ناخالصی ها و کدورت آب را حذف کند.
4- حذف فلزات سنگین :
فلزات سنگینی مانند یون مس، روی، سرب، کادمیم و کروم در آب مهمترین آلاینده غیر آلی سمی آب هستند که حتی مقادیر پایین آنها می تواند سبب مشکلات زیست محیطی جدی شوند.
5- حذف نیترات:
نیترات یکی از مهمترین مواد ضروری برای رشد گیاهان و منبعی غنی از ازت محسوب می شود. اگرچه مقادیر پایین نیترات در آب اثر مضری بر سلامتی ندارد، اما مقادیر بالاتر از حد مجاز از آن می تواند موجب آثار مخربی مانند کمبود اکسیژن (Methemoglobinemia) در انسان شود.
زغال تولید شده توسط روش کربونیزاسیون تنها دارای یک ساختار متخلخل اولیه است و نمی توان از آن به عنوان یک ماده جاذب استفاده شود، مگر آنکه ساختار حفرات آن بهبود یافته یا فعال شوند. سرعت فرایند فعالسازی به نوع ماده اولیه و عامل فعالسازی بستگی دارد. در این فرایند عواملی مانند اکسیژن و دی اکسید کربن به ترتیب دارای بیشترین و کمترین واکنش پذیری می باشند. در طی فرایند کربونیزاسیون ابتدا فضای خالی در کربن تشکیل شده، سپس این فضا توسط کربن های غیر آرایش یافته (آمورف) اشغال می گردد. بنابراین ضروری است که پس از مرحله کربونیزاسیون به روش پیرولیز توسط یکی از سه روش زیر کربن را فعالسازی نمود:
• روش فعالسازی فیزیکی کربن اکتیو
فعالسازی فیزیکی فرایندی دو مرحله ای است که توسط تقطیر تخریبی ماده کربنی (تبدیل به زغال) و سپس فعال سازی زغال در درجه حرارت بالا در حضور اکسیدهای گازی مناسب صورت می گیرد. اکسیدهای گازی که معمولاً در این روش استفاده می شود، معمولاً دی اکسید کربن، بخار آب، هوا و یا مخلوط آنها هستند و کربن با بخار با درجه حرارت 600 تا 7000 سانتی گراد تماس می یابد.
• روش فعالسازی شیمیایی کربن اکتیو
روش فعالسازی شیمیایی توسط واکنش ماده کربنی با یک عامل شیمیایی صورت می گیرد. این روش تولید کربن فعال در دو مرحله کربونیزاسیون (پیرولیز) و فعالسازی به صورت همزمان انجام می شود. روش فعالسازی شیمیایی کربن تنها یک کوره ساده موردنیاز است، اما در فعالسازی فیزیکی به دو کوره برای کربونیزاسیون و فعالسازی احتیاج است. به طور کلی هر عامل فعالسازی موجب ایجاد ساختار منافذ متفاوتی در ماده کربنی می شود. این روش عمدتاً توسط مواد شیمیایی مانند روی کلرید، پتاسیم هیدروکسید، فسفریک اسید و پتاسیم کربنات انجام می گردد. صرفه اقتصادی فعالسازی شیمیایی به میزان بالایی به بازیافت موثر عامل شیمیایی مورد استفاده در این روش بستگی دارد. بازیافت عوامل شیمیایی معمولاً توسط یک مرحله لیچینگ و خشک کردن کربن شسته شده صورت می گیرد. مهمترین مزیت های فعالسازی شیمیایی نسبت به روش
فیزیکی، فعالسازی در دمای پایین، انجام فرایند در یک مرحله و به صورت همزمان می باشند. در میان دو روش بالا، فعالسازی با بخار از نظر زیست محیطی و اقتصادی بهترین روش محسوب می شود، اما فعالسازی شیمیایی بیشترین سطح و تخلخل را ایجاد می کند.
منابع تولید کربن اکتیو
منابعی که عمدتاً برای تولید کربن اکتیو مورد استفاده قرار می گیرند، شامل موارد زیر هستند:
1- مواد خام سلولزی:
از این مواد برای تولید کربن اکتیو پایه سلولزی (گیاهی) استفاده می شود و شامل موارد زیر هستند:
• پوشش حصیری پوسته نارگیل
• پوست میوه ها (پوست پرتقال، گردو، بادام و پسته)
• هسته میوه ها (مانند هسته زیتون و هلو)
• چوب
2- مواد خام کربنی:
مواد خام کربنی مورد استفاده در تولید کربن فعال دارای انواع زیر می باشد:
• زغال سنگ بیتومینه (Bituminous Coal): زغال سیاه و براق که به نام زغال خانگی نیز شناخته می شود.
• زغال سنگ قیر (Lignite Coal): نوعی زغال سنگ به رنگ قهوه ای مایل به سیاه
• کک نفتی
• قطران زغال سنگ
3- مواد خام پلیمری:
مواد پلیمری که جهت تولید کربن اکتیو استفاده می شود، شامل مواد زیر هستند:
• ضایعات پلاستیک
اگرچه کربن های فعال غالباً از زغال سنگ تولید می شوند. با این وجود گریدهایی از کربن فعال که پایه سلولزی دارند، معمولاً از پوسته نارگیل، گردو و بادام تولید می گردند.
