مفهوم و کاربرد جذب سطحی کربن فعال

کربن فعال، ماده ای است که در بیش از 2500 محصول صنعتی و تجاری به کار رفته است. بیشتر مراکز تصفیه فاضلاب از این ماده برای تصفیه آب و گازهای متصاعد شده در این تأسیسات استفاده می کنند.

کربن فعال یک ماده جامد جذب کننده خنثی است که عموماً برای جداسازی آلاینده های مختلف از آب و نیز گازهای فرآیندی استفاده می شود. کربن فعال از موادی تولید می شود که در ساختار آنها کربن به کار رفته باشد که متداولترین آنها عبارتند از پوسته نارگیل، مواد زغالی ، چوب و سایر مواد مشابه.

در اینجا لازمست تا به تفاوت ظریف بین دو نوع "جذب" اشاره ای کنیم. جذب مواد توسط مواد جاذب از دو روش انجام میگیرد. یک روش، از طریق نفوذ ماده در داخل ماده جاذب صورت میگیرد که Absorption نام دارد. در روش دیگر، در واقع ماده جذب شونده، روی سطح ماده جاذب چسبیده و "جذب سطحی" اتفاق می افتد که به آن Adsorption می گویند. از آنجا که وازه انگلیسی این دو نوع روش جذب، بسیار به هم شبیه هستند، باید به آنها دقت نمود تا اشتباهاً استفاده نشوند. مکانیزم جذب در کربن فعال، جذب سطحی (Adsorption) است.

کربن فعال یک ماده متخلخل ارزان و در دسترس برای جذب مواد است. ساختار آن بگونه ای است که به ازای هر گرم سطح بسیار زیادی برای جذب نسبت به سایر مواد ایجاد می کند. برای آنکه درک بهتری از این موضوع داشته باشید، جالب است که بدانید یک قاشق چایخوری کربن فعال، سطحی بیش از مساحت یک زمین فوتبال برای جذب ایجاد می کند!

بواسطه همین ویژگی در کربن فعال است که از این ماده به وفور برای حذف کلر، طعم، بو، رنگ و حتی برخی مواد سمی از آب استفاده می شود. این جذب به واسطه فعل و انفعالی است که بین این مواد و سطح گرافیتی کربن روی می دهد. کربن فعال با باردار کردن موادی که به آن می چسبند، باعث چسبیده شدن سایر مواد به آنها شده و باعث جدا شدن آنها از مایع و چسبیده شدن به سطح کربن می شود.

تولید کنندگان کربن فعال، از مواد اولیه و فرایندهای مختلفی برای ساخت این محصول استفاد می کنند. شکل زیر نشاندهنده ساختار کلی میکروسکوپی انواع مختلف کربن فعال که تولید می شوند، میباشد. این شکل، ساختار مولکولی سه نوع ماده متداول مورد استفاده در تولید کربن فعال شامل چوب، مواد زغالی و پوسته نارگیل را نشان می دهد.

کربن فعال درانواع مختلفی تولید و به بازار عرضه می شود. از معمولترین انواع آن می توان به کربن فعال پودری (Powder)، دانه ای (Granular)، قرصی (Pellet) و بلاک (Block) اشاره نمود.

کربن فعال پودری، کربن با ابعاد میکرونی است که از آسیاب کربن گرانولی که در ابعاد میلیمتری است، بدست می آید و دارای سرعت و قابلیت جذب بالاتری نسبت به کربن با ابعاد بالاتر است.

کربن فعال پودری برای تصفیه آلودگی هایی که دفعتاً در منابع آبی بوجود می آیند، استفاده بیشتری دارد. از آن جمله می توان به افزایش ناگهانی جلبک (Algae Bloom) و یا نشت مواد صنعتی از کارخانجات در آب اشاره نمود. در صورت بروز چنین اتفاقاتی، می توان از افزودن کربن فعال پودری به آب در تصفیه خانه ها استفاده نمود. ضمناً کربن فعال پودری برای محافظت از فیلترهای حاوی کربن فعال گرانولی نیز استفاده می شود تا در صورت بروز آلودگی های ناگهانی مانند آنچه بالا ذکر شد، کارایی لازم در آنها کاهش نیابد.

کربن فعال دانه ای، دارای ابعاد میلیمتری بوده و نسبت به کربن فعال پودری، درشت تر است. استفاده از کربن فعال دانه ای در تصفیه خانه ها، متدوال است. اما استفاده درست از این نوع کربن فعال، نیازمند زیرساخت لازم برای اکتیو کردن و استفاده مجدد از آنها است. با انتقال کربن فعال دانه ای استفاده شده به کوره فعالسازی و احیا و استفاده مجدد آن، می توان صرفه جویی قابل ملاحظه ای داشت. این کار، هزینه ای حدود نصف حالتی که از کربن فعال دانه ای تازه به جای کربن فعال مستعمل استفاده کنیم، در برخواهد داشت. در صورتی که زیرساخت فعالسازی مجدد کربن فعال وجود نداشته باشد، ممکن است از کربن فعال پودری بجای کربن فعال دانه ای استفاده شود.

کربن فعال قرصی، در واقع، کربن فعال دانه ای درشت است که معمولاً برای حذف بو و سولفید هیدروژن از بخارها و گازها در تصفیه فاضلاب استفاده می شوند. درشت بودن این دانه ها و به تبع آن، زیاد بودن نسبی ابعاد حفره های ما بین آنها، به جریان بخار و گاز اجازه می دهد تا براحتی و بدون روبرو شدن با مقاومتی، از آن عبور کرده و باعث کاهش انرژی مورد نیاز فن برای عبور جریان از لایه های کربن فعال شود.

برای جذب بوی سولفید هیدروژن، از دو نوع کربن عادی و یا کربن کاتالیزوری استفاده می کنند.کربن عادی باعث اکسید شدن سولفید هیدروژن متحرک و تبدیل آن به گوگرد می شود که آنرا به سطح کربن می چسباند. بعد از مدتی استفاده و با تشخیص آزمایشگاهی میزان گوگرد جمع شده روی کربن، کربن مستعمل با کربن جدید جایگزین می شود. در حالیکه کربن کاتالیزوری، با عمل انجام اکسیداسیون، سولفید هیدروژن را به اسید سولفوریک تبدیل می کند. اسید سولفوریک تشکیل شده با این روش براحتی از روی سطح کربن قابل شستشو بوده و کربن را می توان مجدداً مورد استفاده قرار داد.

کربن فعال، نمی تواند مادام العمر مورد استفاده قرار گیرد. لازمست تا کربن فعال بعد از مدتی استفاده، با کربن فعال نو و یا مجدداً احیا شده، جایگزین شود. دلیل آن هم این است که همانطور که اشاره شد، در طول زمان فیلتراسیون، ذرات آلاینده در حفره های موجود در کربن فعال جمع شده و به تدریج آنها را مسدود می کنند. تصفیه خانه هایی که از کربن فعال استفاده می کنند، دو راه برای جایگزینی کربن فعال استفاده شده دارند. یا می بایست کربن فعال جدید خریداری کنند و یا کربن فعال استفاده شده را مجدداً فعال کنند البته باید توجه داشت که کربن فعال مجدد احیا شده (Reactivated) هم پس از چند بار قرار گرفتن در سیکل فعال سازی مجدد، خاصیت خود را از دست داده و لازست تا کربن فعال جدید جایگزین شود.

در تعریف دو روش جذب در مقاله، به تفاوت Absorption و Adsorption اشاره شد. برای تفهیم بیشتر موضوع، می توانید کلیپ زیر را که در همین خصوص است، مشاهده بفرمائید: