کربن فعال بر پایه پوسته نارگیل
3 آذر 1400 · · کربن فعال
استفاده از کربن فعال برای حذف ناخالصی های مضر مانند آلاینده های آلی از آب از زمان رومیان مرسوم بوده است. کربن فعال اصطلاح عمومی است که برای توصیف خانواده ای از جاذب های کربن دار با فرم بسیار آمورف و ساختار منافذ داخلی به طور گسترده استفاده می شود.
کربن فعال بسیار متخلخل با سطح بسیار بزرگ است که آن را به یک ماده جاذب موثر تبدیل می کند. این سطح بزرگ نسبت به اندازه ذرات کربن واقعی، حذف مقادیر زیادی از ناخالصی ها را در یک فضای بسته نسبتا کوچک آسان می کند.
نسبت تقریبی سطح یک متر مربع در هر گرم است. جاذبه های بین مولکولی در کوچکترین منافذ باعث جذب می شود. مولکولهای آلایندههای موجود در آب توسط جاذبه فیزیکی یا شیمیایی روی سطح کربن فعال جذب میشوند. جاذبه فیزیکی ساختار مولکولی جذب شده را تغییر نمی دهد. جذب شیمیایی منجر به تغییر ساختار مولکولی جاذب می شود. برخی دوست دارند از این دو پدیده به عنوان جذب فیزیکی (جذب فیزیکی) و جذب شیمیایی (جذب شیمیایی) یاد کنند.
دو مکانیسمی که توسط آن مواد شیمیایی بر روی کربن فعال جذب می شوند، این است که یا آب را دفع می کند یا جذب کربن فعال می شود. جذب کربن فعال از طریق سه مرحله اساسی انجام می شود:
- مواد به سطح خارجی سطح کربن جذب می شوند.
- مواد با بیشترین انرژی جذب به داخل منافذ جذب کربن حرکت می کنند.
- مواد به پلاکت های گرافیتی داخلی کربن جذب می شوند.
بسیاری از مواد طبیعی به عنوان مواد پایه برای ساخت کربن فعال استفاده می شوند. رایج ترین آنها که در تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از زغال سنگ زغال سنگ، قیر و آنتراسیت و ذغال سنگ نارس، چوب و پوسته نارگیل.
مواد پایه مختلف و فرآیند فعال سازی منجر به اندازه منافذ و توزیع منافذ منحصر به فرد می شود. گروه بندی اندازه منافذ در کربن معمولاً با قطر منافذ آن توصیف می شود. ماکروپورها (قطر بالای 50 نانومتر [nm])؛ مزوپورها (قطر دو تا 50 نانومتر) و ریز منافذ (قطر زیر دو نانومتر). راه دیگری برای اندیشیدن و تجسم ساختار منافذ، منافذ انتقال و جذب است: منافذ حمل و نقل مواد قابل جذب را به منافذ جذب میآورند.
کربنهای فعال مبتنی بر پوسته نارگیل
کربنهای فعال مبتنی بر پوسته نارگیل کمترین گرد و غبار را دارند. آنها عمدتاً ریز متخلخل هستند و برای جذب شیمیایی آلی مناسب هستند. کربن مبتنی بر پوسته نارگیل بالاترین سختی را در مقایسه با سایر انواع کربنهای فعال دارد که آن را به کربن ایدهآل برای تصفیه آب تبدیل میکند.
از نظر مواد پایه، پوسته نارگیل و چوب منابع تجدید پذیر هستند. مزارع نارگیل با میلیون ها جریب زمین علیرغم استفاده از میلیاردها پوسته نارگیل در سال برای فعال سازی، همچنان تمام مزایای درختان سبز را برای محیط زیست ما فراهم می کند.
کربن فعال از پوسته نارگیل در یک فرآیند دو مرحله ای تولید می شود.
اولین گام در فعالسازی، کربنسازی پوستهها است تا حدود دو سوم مواد فرار را از پوسته خارج کرده و تودهای کربنی پر از منافذ ریز ایجاد کند.
در مرحله دوم، این ماده پایه کربنی شده در دمای بالا (1100 درجه سانتیگراد / 2012 درجه فارنهایت) در بخار فعال می شود. دمای فعالسازی و مقدار زمان فعالسازی برای ایجاد شبکههای منافذ داخلی و ایجاد ترکیبات شیمیایی سطحی خاص (گروه عملکردی) در داخل هر ذره مهم هستند. در اصل، فرآیند فعال سازی کل به کربن ویژگی های جذب منحصر به فرد خود را می دهد.
فرآیند کربنیزاسیون فعلی
فرآیند کربن سازی تبدیل پوسته نارگیل به زغال چوب یا زغال است.
فرآیند زغالساختن (ساخت زغالسنگ) به عنوان پیرولیز شناخته میشود، که تجزیه شیمیایی پوسته با حرارت دادن در غیاب اکسیژن است.
در طول کربنسازی پوستههای نارگیل، مواد فراری به میزان 70 درصد از جرم پوسته نارگیل در اتمسفر رها میشوند و 30 درصد از توده پوسته نارگیل را به صورت زغال چوب تولید میکنند. مواد فراری که در طی فرآیند کربنیزاسیون آزاد می شوند عبارتند از متان، CO2، بخار آب و طیف وسیعی از بخارات آلی.
پوسته نارگیل در فرآیندی قدیمی که معمولاً به عنوان روش چاله باز شناخته می شود، کربن می شود. در این فرآیند از زمین به عنوان عایق و برای گرم کردن پوسته ها در غیاب اکسیژن استفاده می شود. چرخه زغال چوب شامل سه مرحله است:
- فاز پیرولوز بیش از 12 ساعت، زمانی که گازها آزاد می شوند.
- فاز آرام سازی وقتی گودال بسته شد و زغال سنگ به مدت 12 ساعت خنک شد.
- تخلیه کردن ؛ مرحله نهایی که در آن زغال چوب تخلیه می شود و پوسته های تازه برای چرخه تولید بعدی بارگیری می شوند.
دمای حفظ شده در فرآیند برای پیرولیز کامل حیاتی است. آزمایش ها نشان داده اند که بازده زغال چوب با دمای موجود در چاله ها نسبت مستقیم دارد.
علاوه بر این، میزان متان آزاد شده در اتمسفر ارتباط مستقیمی با دمای موجود در گودال دارد.
به طور کلی، گودالها 30 درصد زغال میدهند، به این معنی که دمای آنها 500 درجه سانتیگراد (932 درجه فارنهایت) است. چندین آزمایش برای اندازه گیری مقدار گازهای آزاد شده انجام شده است. به طور متوسط، یک میلیون تن (MT) پوسته نارگیل حدود 12 تا 15 کیلوگرم متان را در جو آزاد می کند.
